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DE102020007501A1 - Sensor element for gas sensor - Google Patents

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DE102020007501A1
DE102020007501A1 DE102020007501.0A DE102020007501A DE102020007501A1 DE 102020007501 A1 DE102020007501 A1 DE 102020007501A1 DE 102020007501 A DE102020007501 A DE 102020007501A DE 102020007501 A1 DE102020007501 A1 DE 102020007501A1
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protective layer
sensor element
sensor
end protective
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Ryo Onishi
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Original Assignee
NGK Insulators Ltd
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Abstract

Ein Sensorelement enthält eine Elementbasis und eine Führungsende-Schutzschicht, die um eine äußere Peripherie in einem vorbestimmten Bereich angeordnet ist, der mindestens eine Endoberfläche mit einem Gaseinlass einschließt, und eine poröse Schicht ist, die eine oder mehrere Einheitsschichten enthält, und eine Dicke Tj(j = 1 bis n: n ist eine natürliche Zahl) in µm einer j-ten Einheitsschicht von einer Seite der Elementbasis auf der Endoberfläche, eine Porosität pjin % der j-ten Einheitsschicht und ein Abstand Lein mm von dem Heizer zu der Endoberfläche der Elementbasis eine vorbestimmte Ungleichung auf einer Endoberfläche der Führungsende-Schutzschicht erfüllen.A sensor element includes an element base and a leading end protective layer, which is disposed around an outer periphery in a predetermined area including at least one end surface with a gas inlet, and is a porous layer including one or more unit layers, and has a thickness Tj ( j = 1 to n: n is a natural number) in µm of a j-th unit layer from one side of the element base on the end surface, a porosity pjin% of the j-th unit layer and a distance Lein mm from the heater to the end surface of the element base satisfy a predetermined inequality on an end surface of the leading end protective layer.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND OF THE INVENTION

Gebiet der ErfindungField of invention

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Sensorelement für einen Gassensor und insbesondere eine Oberflächenschutzschicht dafür.The present invention relates to a sensor element for a gas sensor and, in particular, to a surface protective layer therefor.

Beschreibung des Standes der TechnikDescription of the prior art

Als Gassensor zur Bestimmung der Konzentration einer gewünschten Gaskomponente, die in einem Messgas, wie einem Abgas eines Verbrennungsmotors, enthalten ist, ist ein Gassensor, der ein Sensorelement aus einem sauerstoffionenleitenden Festelektrolyten, wie Zirkoniumdioxid (ZrO2), enthält und einige Elektroden auf der Oberfläche und im Inneren desselben aufweist, allgemein bekannt. Als Sensorelement ist ein Sensorelement bekannt, das eine längliche, ebene Form aufweist und eine Schutzschicht umfasst, die aus einem porösen Körper (poröse Schutzschicht) in einem Endabschnitt gebildet ist, in dem ein Teil zum Einleiten des Messgases vorgesehen ist (siehe zum Beispiel Japanische Patentanmeldung Offenlegung Nr. 2016-65852 ).As a gas sensor for determining the concentration of a desired gas component contained in a measurement gas such as exhaust gas from an internal combustion engine, there is a gas sensor that includes a sensor element made of an oxygen ion conductive solid electrolyte such as zirconium dioxide (ZrO 2 ) and some electrodes on the surface and has inside the same, is generally known. As a sensor element, a sensor element is known which has an elongated planar shape and comprises a protective layer formed from a porous body (porous protective layer) in an end portion in which a part for introducing the measurement gas is provided (see, for example, Japanese Patent Application Disclosure No. 2016-65852 ).

Die Schutzschicht ist auf der Oberfläche des Sensorelements vorgesehen, um die Wasserbeständigkeit des Sensorelements sicherzustellen, wenn der Gassensor in Gebrauch ist. Insbesondere wird die Schutzschicht bereitgestellt, um in einem Fall, in dem Wassertröpfchen in einem Zustand an der Oberfläche des Sensorelements anhaften, in dem es durch einen Heizer im Inneren des Sensorelements erwärmt wird, wasserinduzierte Risse des Sensorelements unter der Wirkung eines thermischen Schocks zu verhindern, der durch die Wärme (Kälte) der Wassertröpfchen auf dem Sensorelement verursacht wird.The protective layer is provided on the surface of the sensor element in order to ensure the water resistance of the sensor element when the gas sensor is in use. In particular, the protective layer is provided in order to prevent water-induced cracks of the sensor element under the action of a thermal shock in a case where water droplets adhere to the surface of the sensor element in a state of being heated by a heater inside the sensor element, caused by the heat (cold) of the water droplets on the sensor element.

In einem Fall, in dem die Schutzschicht auf dem planaren Sensorelement vorgesehen ist, wie in der japanischen Patentanmeldung Offenlegung Nr. 2016-65852 offenbart, ist ein Abschnitt der Schutzschicht, der weiter von dem Heizer entfernt ist, tendenziell anfälliger für thermischen Schock als ein Abschnitt der Schutzschicht, der sich näher an dem Heizer befindet, und daher kann die Wasserbeständigkeit je nach Ort variieren.In a case where the protective layer is provided on the planar sensor element as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2016-65852 disclosed, a portion of the protective layer farther from the heater tends to be more prone to thermal shock than a portion of the protective layer closer to the heater, and therefore water resistance may vary from location to location.

Eine mögliche Maßnahme ist eine Erhöhung der Dicke der Schutzschicht, um die Beständigkeit gegen thermischen Schock zu verbessern, aber die Erhöhung der Dicke führt zu einer Verringerung der Ansprechempfindlichkeit und des Temperaturanstiegsverhaltens des Sensorelements. Insbesondere in einem Fall, in dem ein Gaseinlass, durch den das Messgas in das Sensorelement eingeleitet wird, in einer Führungsende-Oberfläche des Elements vorgesehen ist, ist eine übermäßige Erhöhung der Dicke der Schutzschicht, die den Gaseinlass bedeckt, nicht wünschenswert, da sie zu einer spürbaren Verringerung der Ansprechempfindlichkeit führt.One possible measure is to increase the thickness of the protective layer in order to improve the resistance to thermal shock, but increasing the thickness leads to a decrease in the responsiveness and the temperature rise behavior of the sensor element. In particular, in a case where a gas inlet through which the measurement gas is introduced into the sensor element is provided in a leading end surface of the element, an excessive increase in the thickness of the protective layer covering the gas inlet is undesirable because it increases leads to a noticeable reduction in responsiveness.

KURZDARSTELLUNGSHORT REPRESENTATION

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Sensorelement für einen Gassensor und ist insbesondere auf eine Ausgestaltung einer Oberflächenschutzschicht desselben gerichtet.The present invention relates to a sensor element for a gas sensor and is directed in particular to a configuration of a surface protective layer of the same.

Gemäß der vorliegenden Erfindung beinhaltet ein Sensorelement für einen Gassensor: eine Elementbasis, die eine keramische Struktur ist, wobei die Elementbasis eine Endoberfläche mit einem Gaseinlass aufweist, durch den ein Messgas in die Elementbasis eingeleitet wird, und ein Sensorteil zum Erfassen einer zu messenden Gaskomponente und einen Heizer zum Erwärmen des Sensorelements enthält; und eine Führungsende-Schutzschicht, die um eine äußere Peripherie der Elementbasis in einem vorbestimmten Bereich angeordnet ist, der mindestens die Endoberfläche einschließt, und eine poröse Schicht ist, die eine oder mehrere Einheitsschichten einschließt, wobei die Führungsende-Schutzschicht auf der Endoberfläche vorgesehen ist, um 1 100000 T j ρ j L e > 0,05     ( j = 1 n )

Figure DE102020007501A1_0001
zu erfüllen,
wobei Tj (j = 1 bis n: n ist eine natürliche Zahl) eine Dicke in µm einer j-ten Einheitsschicht der Führungsende-Schutzschicht von einer Seite der Elementbasis auf der Endoberfläche ist, pj eine Porosität in % der j-ten Einheitsschicht ist und Le ein Abstand in mm von dem Heizer zur Endoberfläche ist.According to the present invention, a sensor element for a gas sensor includes: an element base that is a ceramic structure, the element base having an end surface with a gas inlet through which a measurement gas is introduced into the element base, and a sensor part for detecting a gas component to be measured and includes a heater for heating the sensor element; and a leading end protective layer disposed around an outer periphery of the element base in a predetermined area including at least the end surface and being a porous layer including one or more unit layers, the leading end protective layer being provided on the end surface, around 1 100,000 T j ρ j L. e > 0.05 ( j = 1 n )
Figure DE102020007501A1_0001
to meet
where T j (j = 1 to n: n is a natural number) is a thickness in µm of a j-th unit layer of the leading end protective layer from one side of the element base on the end surface, p j is a porosity in% of the j-th unit layer and L e is a distance in mm from the heater to the end surface.

Die Dicke eines Abschnitts, in dem der Gaseinlass der Führungsende-Schutzschicht vorgesehen ist, die einen Abschnitt der Elementbasis umgibt, in dem die Temperatur hoch wird, wenn der Gassensor in Gebrauch ist, wird dadurch so bestimmt, dass die Porosität und der Abstand von dem Heizer die vorbestimmte Ungleichung erfüllen, so dass eine gute Wasserbeständigkeit des Abschnitts des Sensorelements sichergestellt werden kann, ohne eine Verringerung der Ansprechempfindlichkeit zu verursachen.The thickness of a portion in which the gas inlet of the leading end protective layer is provided, which surrounds a portion of the element base in which the temperature becomes high when the gas sensor is in use, is determined by the porosity and the distance from the Heaters satisfy the predetermined inequality so that good water resistance of the portion of the sensor element can be ensured without causing a decrease in responsiveness.

Das Sensorelement weist vorzugsweise eine längliche, ebene Form auf und die Endoberfläche ist vorzugsweise eine Oberfläche auf einer Seite eines Führungsende-Abschnitts in einer Längsrichtung des Sensorelements.The sensor element preferably has an elongated planar shape, and the end surface is preferably a surface on a side of a leading end portion in a longitudinal direction of the sensor element.

In diesem Fall kann bei dem Sensorelement, das die Elementbasis mit dem Gaseinlass an einem Führungsende desselben enthält, eine gute Wasserbeständigkeit des Führungsende-Abschnitts sichergestellt werden, ohne eine Verringerung der Ansprechempfindlichkeit zu verursachen.In this case, in the sensor element including the element base with the gas inlet at a leading end thereof, good water resistance of the leading end portion can be ensured without causing a decrease in responsiveness.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Sensorelement für einen Gassensor bereitzustellen, das eine Schutzschicht mit einer Dicke entsprechend der gewünschten Wasserbeständigkeit auf einer Endoberfläche mit einem Gaseinlass aufweist.It is therefore an object of the present invention to provide a sensor element for a gas sensor which has a protective layer having a thickness corresponding to the desired water resistance on an end surface with a gas inlet.

FigurenlisteFigure list

  • 1 ist eine schematische perspektivische Außenansicht eines Sensorelements 10; 1 Fig. 3 is a schematic perspective external view of a sensor element 10 ;
  • 2 ist eine schematische Ansicht, die eine Konfiguration eines Gassensors 100 zeigt, einschließlich einer Querschnittsansicht, die entlang einer Längsrichtung des Sensorelements 10 aufgenommen wurde; 2 Fig. 13 is a schematic view showing a configuration of a gas sensor 100 13, including a cross-sectional view taken along a longitudinal direction of the sensor element 10 has been recorded;
  • 3 zeigt den Gassensor 100 in einem Fall, in dem eine Führungsende-Schutzschicht 2 eine zweischichtige Konfiguration aus einer inneren Führungsende-Schutzschicht 2a und einer äußeren Führungsende-Schutzschicht 2b aufweist; 3rd shows the gas sensor 100 in a case where a leading end protective layer 2 a two-layer configuration of an inner lead end protective layer 2a and an outer lead end protective layer 2 B having;
  • 4 ist ein Flussdiagramm der Verarbeitung bei der Herstellung des Sensorelements 10; 4th Fig. 13 is a flowchart of processing in manufacturing the sensor element 10 ;
  • 5 zeigt einen Fall, in dem die Führungsende-Schutzschicht 2 eine zweischichtige Konfiguration und eine ungleichmäßige Dicke aufweist; 5 shows a case where the leading end protective layer 2 has a two-layer configuration and a non-uniform thickness;
  • 6 ist ein Diagramm eines Ergebnisses der Bewertung der Wasserbeständigkeit gemäß Beispiel 1, das in Tabelle 1 dargestellt ist, gegen einen Führungsende-Dickenindexwert; und 6th Fig. 13 is a graph of a result of evaluation of water resistance according to Example 1 shown in Table 1 versus a leading end thickness index value; and
  • 7 ist ein Diagramm eines Ergebnisses der Bewertung der Wasserbeständigkeit gemäß Beispiel 2, das in Tabelle 2 gezeigt ist, gegen den Führungsende-Dickenindexwert zusammen mit dem Ergebnis der Bewertung gemäß Beispiel 1. 7th FIG. 13 is a graph of a result of evaluation of water resistance according to Example 2 shown in Table 2 versus leading end thickness index value along with the result of evaluation according to Example 1. FIG.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMENDESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS

<Übersicht über Sensorelement und Gassensor><Overview of Sensor Element and Gas Sensor>

1 ist eine schematische perspektivische Außenansicht eines Sensorelements (Gassensorelements) 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 2 ist eine schematische Ansicht, die eine Konfiguration eines Gassensors 100 einschließlich einer Querschnittsansicht entlang einer Längsrichtung des Sensorelements 10 zeigt. Das Sensorelement 10 ist eine keramische Struktur als Hauptkomponente des Gassensors 100, die eine vorbestimmte Gaskomponente in einem Messgas erfasst und deren Konzentration misst. Das Sensorelement 10 ist ein sogenanntes Grenzstrom-Gassensorelement. 1 Fig. 3 is a schematic perspective external view of a sensor element (gas sensor element) 10 according to an embodiment of the present invention. 2 Fig. 13 is a schematic view showing a configuration of a gas sensor 100 including a cross-sectional view along a longitudinal direction of the sensor element 10 shows. The sensor element 10 is a ceramic structure as the main component of the gas sensor 100 that detects a predetermined gas component in a measurement gas and measures its concentration. The sensor element 10 is a so-called limit current gas sensor element.

Der Gassensor 100 umfasst neben dem Sensorelement 10 im Wesentlichen eine Pumpzellenstromversorgung 30, eine Heizerstromversorgung 40 und einen Controller 50.The gas sensor 100 includes next to the sensor element 10 essentially a pump cell power supply 30th , a heater power supply 40 and a controller 50 .

Wie in 1 dargestellt, weist das Sensorelement 10 eine Konfiguration auf, bei der ein Endabschnitt einer länglichen planaren Elementbasis 1 mit einer porösen Führungsende-Schutzschicht 2 bedeckt ist.As in 1 shown, has the sensor element 10 has a configuration in which one end portion of an elongated planar element base 1 with a porous leading end protective layer 2 is covered.

Wie in 2 dargestellt, beinhaltet die Elementbasis 1 einen länglichen, planaren Keramikkörper 101 als Hauptstruktur; Hauptoberflächen-Schutzschichten 170 sind auf zwei Hauptoberflächen des Keramikkörpers 101 vorgesehen und im Sensorelement 10 ist die Führungsende-Schutzschicht 2 weiterhin außerhalb sowohl einer Endoberfläche (einer Führungsende-Oberfläche 101e des Keramikkörpers 101) als auch vier Seitenoberflächen auf einer Seite eines Führungsende-Abschnitts vorgesehen. Die vier Seitenoberflächen, die keine gegenüberliegenden Endoberflächen in Längsrichtung des Sensorelements 10 (oder der Elementbasis 1 oder des Keramikkörpers 101) sind, werden im Folgenden einfach als Seitenoberflächen des Sensorelements 10 (oder der Elementbasis 1 oder des Keramikkörpers 101) bezeichnet.As in 2 shown, includes the element base 1 an elongated, planar ceramic body 101 as the main structure; Main surface protective layers 170 are on two major surfaces of the ceramic body 101 provided and in the sensor element 10 is the leading end protective layer 2 further outside of both an end surface (a leading end surface 101e of the ceramic body 101 ) and four side surfaces are provided on one side of a leading end portion. The four side surfaces that are not opposite end surfaces in the longitudinal direction of the sensor element 10 (or the element base 1 or the ceramic body 101 ) are hereinafter simply referred to as side surfaces of the sensor element 10 (or the element base 1 or the ceramic body 101 ) designated.

Der Keramikkörper 101 besteht aus Keramik, die als Hauptbestandteil Zirkoniumdioxid (Yttrium-stabilisiertes Zirkoniumdioxid) enthält, das ein sauerstoffionenleitender Festelektrolyt ist. Verschiedene Komponenten des Sensorelements 10 sind außerhalb und innerhalb des Keramikkörpers 101 vorgesehen. Der Keramikkörper 101 mit der Konfiguration ist dicht und luftdicht. Die in 2 dargestellte Konfiguration des Sensorelements 10 ist nur ein Beispiel und eine bestimmte Konfiguration des Sensorelements 10 ist nicht auf diese Konfiguration beschränkt.The ceramic body 101 consists of ceramic, the main component of which is zirconium dioxide (yttrium-stabilized zirconium dioxide), which is a solid electrolyte that conducts oxygen ions. Various components of the sensor element 10 are outside and inside the ceramic body 101 intended. The ceramic body 101 with the configuration is tight and airtight. In the 2 configuration of the sensor element shown 10 is just an example and a specific configuration of the sensor element 10 is not limited to this configuration.

Das in 2 dargestellte Sensorelement 10 ist ein sogenanntes serielles Gassensorelement mit Dreikammerstruktur, das eine erste Innenkammer 102, eine zweite Innenkammer 103 und eine dritte Innenkammer 104 innerhalb des Keramikkörpers 101 enthält. Das heißt, in dem Sensorelement 10 steht die erste Innenkammer 102 über ein erstes Diffusionssteuerteil 110 und ein zweites Diffusionssteuerteil 120 mit einem Gaseinlass 105 in Verbindung, der sich an einer Seite eines Endabschnitts E1 des Keramikkörpers 101 (der Elementbasis 1) nach außen öffnet (um genau zu sein, mit der Außenseite durch die Führungsende-Schutzschicht 2 in Verbindung steht), die zweite Innenkammer 103 steht mit der ersten Innenkammer 102 über ein drittes Diffusionssteuerteil 130 in Verbindung und die dritte Innenkammer 104 steht mit der zweiten Innenkammer 103 über ein viertes Diffusionssteuerteil 140 in Verbindung. Ein Pfad vom Gaseinlass 105 zur dritten Innenkammer 104 wird auch als Gasverteilungsteil bezeichnet. In dem Sensorelement 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist der Verteilungsteil gerade entlang der Längsrichtung von dem Keramikkörper 101 vorgesehen.This in 2 shown sensor element 10 is a so-called serial gas sensor element with a three-chamber structure, which has a first inner chamber 102 , a second interior chamber 103 and a third interior chamber 104 inside the ceramic body 101 contains. That is, in the sensor element 10 is the first interior chamber 102 via a first diffusion control part 110 and a second diffusion control part 120 with a gas inlet 105 in connection, which extends on one side of an end section E1 of the ceramic body 101 (the element base 1 ) opens to the outside (to be precise, with the outside through the leading end protective layer 2 communicates), the second inner chamber 103 stands with the first interior chamber 102 via a third diffusion control part 130 in connection and the third interior chamber 104 stands with the second inner chamber 103 via a fourth diffusion control part 140 in connection. A path from the gas inlet 105 to the third inner chamber 104 is also referred to as the gas distribution part. In the sensor element 10 according to the present embodiment, the distributing part is straight along the longitudinal direction of the ceramic body 101 intended.

Der erste Diffusionssteuerteil 110, der zweite Diffusionssteuerteil 120, der dritte Diffusionssteuerteil 130 und der vierte Diffusionssteuerteil 140 sind in 2 jeweils als zwei vertikal angeordnete Schlitze vorgesehen. Der erste Diffusionssteuerteil 110, der zweite Diffusionssteuerteil 120, der dritte Diffusionssteuerteil 130 und der vierte Diffusionssteuerteil 140 bieten dem durch sie hindurchströmenden Messgas einen vorbestimmten Diffusionswiderstand. Zwischen dem ersten Diffusionssteuerteil 110 und dem zweiten Diffusionssteuerteil 120 ist ein Pufferraum 115 vorgesehen, der die Wirkung aufweist, die Pulsation des Messgases zu puffern.The first diffusion control part 110 , the second diffusion control part 120 , the third diffusion control part 130 and the fourth diffusion control part 140 are in 2 each provided as two vertically arranged slots. The first diffusion control part 110 , the second diffusion control part 120 , the third diffusion control part 130 and the fourth diffusion control part 140 offer the measuring gas flowing through them a predetermined diffusion resistance. Between the first diffusion control part 110 and the second diffusion control part 120 is a buffer space 115 provided, which has the effect of buffering the pulsation of the measuring gas.

Eine äußere Pumpelektrode 141 ist an einer Außenoberfläche des Keramikkörpers 101 vorgesehen und eine innere Pumpelektrode 142 ist in der ersten Innenkammer 102 vorgesehen. Des Weiteren ist eine Hilfspumpelektrode 143 in der zweiten Innenkammer 103 vorgesehen und eine Messelektrode 145 als Sensorteil zum direkten Erfassen einer zu messenden Gaskomponente ist in der dritten Innenkammer 104 vorgesehen. Darüber hinaus ist ein Referenzgaseinlass 106, der mit der Außenseite in Verbindung steht und durch den ein Referenzgas eingeleitet wird, an einer Seite des anderen Endabschnitts E2 des Keramikkörpers 101 vorgesehen und eine Referenzelektrode 147 ist im Referenzgaseinlass 106 vorgesehen.An outer pumping electrode 141 is on an outer surface of the ceramic body 101 provided and an inner pump electrode 142 is in the first interior chamber 102 intended. There is also an auxiliary pump electrode 143 in the second inner chamber 103 provided and a measuring electrode 145 as a sensor part for the direct detection of a gas component to be measured is in the third inner chamber 104 intended. In addition, there is a reference gas inlet 106 , which communicates with the outside and through which a reference gas is introduced, on one side of the other end portion E2 of the ceramic body 101 provided and a reference electrode 147 is in the reference gas inlet 106 intended.

In einem Fall, in dem ein Ziel der Messung des Sensorelements 10 zum Beispiel NOx im Messgas ist, wird die Konzentration eines NOx-Gases im Messgas durch ein Verfahren wie nachstehend beschrieben berechnet.In a case where a goal of measuring the sensor element 10 For example, there is NOx in the measurement gas, the concentration of a NOx gas in the measurement gas is calculated by a method as described below.

Zunächst wird das in die erste Innenkammer 102 eingeleitete Messgas so eingestellt, dass es eine im Wesentlichen konstante Sauerstoffkonzentration durch eine Pumpwirkung (Ein- oder Auspumpen von Sauerstoff) einer Hauptpumpzelle P1 aufweist, und dann in die zweite Innenkammer 103 eingeleitet. Die Hauptpumpzelle P1 ist eine elektrochemische Pumpzelle mit der äußeren Pumpelektrode 141, der inneren Pumpelektrode 142 und einer Keramikschicht 101a, die ein Teil des zwischen diesen Elektroden befindlichen Keramikkörpers 101 ist. In der zweiten Innenkammer 103 wird Sauerstoff im Messgas durch eine Pumpwirkung einer Hilfspumpzelle P2, die ebenfalls eine elektrochemische Pumpzelle ist, aus dem Element gepumpt, so dass sich das Messgas in einem ausreichend niedrigen Sauerstoffpartialdruckzustand befindet. Die Hilfspumpzelle P2 beinhaltet die äußere Pumpelektrode 141, die Hilfspumpelektrode 143 und eine Keramikschicht 101b, die ein Abschnitt des Keramikkörpers 101 ist, der sich zwischen diesen Elektroden befindet.First that is in the first inner chamber 102 Introduced measuring gas is set so that there is an essentially constant oxygen concentration by a pumping action (pumping in or pumping out oxygen) of a main pumping cell P1 has, and then into the second inner chamber 103 initiated. The main pumping cell P1 is an electrochemical pump cell with the outer pump electrode 141 , the inner pump electrode 142 and a ceramic layer 101a , which is part of the ceramic body located between these electrodes 101 is. In the second inner chamber 103 oxygen in the measurement gas is created by a pumping action of an auxiliary pump cell P2 , which is also an electrochemical pump cell, is pumped out of the element so that the measurement gas is in a sufficiently low oxygen partial pressure state. The auxiliary pumping cell P2 contains the outer pump electrode 141 , the auxiliary pumping electrode 143 and a ceramic layer 101b that is a section of the ceramic body 101 located between these electrodes.

Die äußere Pumpelektrode 141, die innere Pumpelektrode 142 und die Hilfspumpelektrode 143 sind jeweils als poröse Cermet-Elektrode ausgebildet (z.B. eine Cermet-Elektrode aus ZrO2 und Pt, das 1% Au enthält). Die innere Pumpelektrode 142 und die Hilfspumpelektrode 143, die mit dem Messgas in Kontakt stehen sollen, sind jeweils aus einem Material gebildet, das ein geschwächtes oder kein Reduktionsvermögen in Bezug auf eine NOx-Komponente im Messgas aufweist.The outer pumping electrode 141 , the inner pumping electrode 142 and the auxiliary pumping electrode 143 are each designed as a porous cermet electrode (eg a cermet electrode made of ZrO 2 and Pt, the 1% Au contains). The inner pump electrode 142 and the auxiliary pumping electrode 143 that are to be in contact with the measurement gas are each formed from a material that has a weakened or no reducing power with respect to a NOx component in the measurement gas.

NOx im Messgas, das durch die Hilfspumpzelle P2 in den Zustand niedrigen Sauerstoffpartialdrucks gebracht wird, wird in die dritte Innenkammer 104 eingeleitet und durch die in der dritten Innenkammer 104 vorgesehene Messelektrode 145 reduziert oder zersetzt. Die Messelektrode 145 ist eine poröse Cermet-Elektrode, die auch als NOx-Reduktionskatalysator fungiert, der in einer Atmosphäre in der dritten Innenkammer 104 vorhandenes NOx reduziert. Während der Reduktion oder Zersetzung wird eine Potenzialdifferenz zwischen der Messelektrode 145 und der Referenzelektrode 147 konstant gehalten. Die durch die vorstehend erwähnte Reduktion oder Zersetzung erzeugten Sauerstoffionen werden durch eine Messpumpzelle P3 aus dem Element gepumpt. Die Messpumpzelle P3 beinhaltet die äußere Pumpelektrode 141, die Messelektrode 145 und eine Keramikschicht 101c, die ein Abschnitt des Keramikkörpers 101 ist, der sich zwischen diesen Elektroden befindet. Die Messpumpzelle P3 ist eine elektrochemische Pumpzelle, die Sauerstoff abpumpt, der durch Zersetzung von NOx in einer Atmosphäre um die Messelektrode 145 herum erzeugt wird.NOx in the sample gas that is passed through the auxiliary pump cell P2 is brought into the state of low oxygen partial pressure, is in the third inner chamber 104 initiated and through those in the third interior chamber 104 provided measuring electrode 145 reduced or decomposed. The measuring electrode 145 is a porous cermet electrode that also functions as a NOx reduction catalyst that is in an atmosphere in the third interior chamber 104 existing NOx reduced. During the reduction or decomposition there is a potential difference between the measuring electrode 145 and the reference electrode 147 kept constant. The oxygen ions generated by the aforementioned reduction or decomposition are passed through a metering pump cell P3 pumped out of the element. The measuring pump cell P3 contains the outer pump electrode 141 , the measuring electrode 145 and a ceramic layer 101c that is a section of the ceramic body 101 located between these electrodes. The measuring pump cell P3 is an electrochemical pump cell that pumps off oxygen produced by the decomposition of NOx in an atmosphere around the measuring electrode 145 is generated around.

Das Pumpen (Ein- oder Auspumpen von Sauerstoff) der Hauptpumpzelle P1, der Hilfspumpzelle P2 und der Messpumpzelle P3 wird unter Steuerung durch den Controller 50 dadurch erreicht, dass die Pumpzellenstromversorgung (variable Stromversorgung) 30 eine Spannung anlegt, die für das Pumpen über die in jeder der Pumpzellen enthaltenen Elektroden erforderlich ist. Im Fall der Messpumpzelle P3 wird eine Spannung über die äußere Pumpelektrode 141 und die Messelektrode 145 angelegt, so dass die Potenzialdifferenz zwischen der Messelektrode 145 und der Referenzelektrode 147 auf einem vorgegebenen Wert gehalten wird. Die Pumpzellenstromversorgung 30 ist typischerweise für jede Pumpzelle vorgesehen.The pumping (pumping in or out of oxygen) of the main pumping cell P1 , the auxiliary pumping cell P2 and the measuring pump cell P3 is under control of the controller 50 achieved by the fact that the pump cell power supply (variable power supply) 30th applies a voltage necessary for pumping across the electrodes contained in each of the pump cells. In the case of the measuring pump cell P3 becomes a voltage across the outer pump electrode 141 and the measuring electrode 145 applied so that the potential difference between the measuring electrode 145 and the reference electrode 147 is kept at a predetermined value. The pump cell power supply 30th is typically provided for each pump cell.

Der Controller 50 erfasst einen zwischen der Messelektrode 145 und der äußeren Pumpelektrode 141 fließenden Pumpstrom Ip2 in Abhängigkeit von der durch die Messpumpzelle P3 abgepumpten Sauerstoffmenge und berechnet eine NOx-Konzentration im Messgas auf der Grundlage einer linearen Beziehung zwischen einem Stromwert (NOx-Signal) des Pumpstroms Ip2 und der Konzentration von zersetztem NOx.The controller 50 detects one between the measuring electrode 145 and the outer pumping electrode 141 flowing pump current Ip2 as a function of the flow through the measuring pump cell P3 pumped oxygen amount and calculates a NOx concentration in the measurement gas based on a linear relationship between a current value (NOx signal) of the pump current Ip2 and the concentration of decomposed NOx.

Der Gassensor 100 beinhaltet vorzugsweise eine Vielzahl von elektrochemischen Sensorzellen, die nicht dargestellt sind, die die Potenzialdifferenz zwischen jeder Pumpelektrode und der Referenzelektrode 147 erfassen, und jede Pumpzelle wird von dem Controller 50 auf der Grundlage eines von jeder Sensorzelle erfassten Signals gesteuert.The gas sensor 100 preferably includes a plurality of electrochemical sensor cells, not shown, which measure the potential difference between each pump electrode and the reference electrode 147 capture, and each pumping cell is controlled by the controller 50 controlled based on a signal detected by each sensor cell.

Im Sensorelement 10 ist ein Heizer 150 in den Keramikkörper 101 eingebettet. Der Heizer 150 ist unterhalb des Gasverteilungsteils in 2 über einen Bereich von der Nähe des einen Endabschnitts E1 bis mindestens zu einer Stelle vorgesehen, an der die Messelektrode 145 und die Referenzelektrode 147 gebildet werden. Der Heizer 150 ist hauptsächlich dazu vorgesehen, das Sensorelement 10 zu erwärmen, um die Sauerstoffionen-Leitfähigkeit des Festelektrolyten, der den Keramikkörper 101 bildet, zu verbessern, wenn das Sensorelement 10 in Gebrauch ist. Insbesondere ist der Heizer 150 so vorgesehen, dass er von einer Isolierschicht 151 umgeben ist.In the sensor element 10 is a stoker 150 into the ceramic body 101 embedded. The stoker 150 is below the gas distribution part in 2 over an area in the vicinity of the one end portion E1 Provided up to at least one point where the measuring electrode 145 and the reference electrode 147 are formed. The stoker 150 is mainly intended for the sensor element 10 to heat up the oxygen ion conductivity of the solid electrolyte that makes up the ceramic body 101 forms to improve when the sensor element 10 is in use. In particular is the heater 150 so provided that it is covered by a layer of insulation 151 is surrounded.

Der Heizer 150 ist ein Widerstandsheizkörper, zum Beispiel aus Platin. Der Heizer 150 erzeugt Wärme, indem er von der Heizerstromversorgung 40 unter Steuerung durch den Controller 50 mit Strom versorgt wird.The stoker 150 is a resistance heater, for example made of platinum. The stoker 150 generates heat by drawing from the heater power supply 40 under control of the controller 50 is powered.

Das Sensorelement 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird im Betrieb durch den Heizer 150 so erwärmt, dass die Temperatur mindestens in einem Bereich von der ersten Innenkammer 102 zur zweiten Innenkammer 103 500°C oder mehr beträgt. In einigen Fällen wird das Sensorelement 10 so beheizt, dass die Temperatur des gesamten Gasverteilungsteils vom Gaseinlass 105 bis zur dritten Innenkammer 104 500°C oder mehr beträgt. Dies geschieht, um die Sauerstoffionen-Leitfähigkeit des Festelektrolyten, der jede Pumpzelle bildet, zu erhöhen und um die Fähigkeit jeder Pumpzelle zu demonstrieren. In diesem Fall wird die Temperatur in der Nähe der ersten Innenkammer 102, die zur höchsten Temperatur wird, etwa 700°C bis 800°C.The sensor element 10 according to the present embodiment is operated by the heater 150 heated so that the temperature in at least one area of the first inner chamber 102 to the second inner chamber 103 Is 500 ° C or more. In some cases the sensor element will 10 heated so that the temperature of the entire gas distribution part from the gas inlet 105 to the third inner chamber 104 Is 500 ° C or more. This is done to increase the oxygen ion conductivity of the solid electrolyte that forms each pump cell and to demonstrate the capability of each pump cell. In this case, the temperature becomes close to the first inner chamber 102 that becomes the highest temperature, about 700 ° C to 800 ° C.

In der folgenden Beschreibung wird von den beiden Hauptoberflächen der Elementbasis 1 (dem Keramikkörper 101) eine Hauptoberfläche (oder eine Außenoberfläche des Sensorelements 10 mit der Hauptoberfläche), die sich auf einer Oberseite in 2 und auf einer Seite, auf der die Hauptpumpzelle P1, die Hilfspumpzelle P2 und die Messpumpzelle P3 hauptsächlich vorgesehen sind, auch als eine Pumpoberfläche Ip bezeichnet, und eine Hauptoberfläche (oder eine Außenoberfläche des Sensorelements 10 mit der Hauptoberfläche), die auf einer unteren Seite in 2 und auf einer Seite, auf der der Heizer 150 vorgesehen ist, angeordnet ist, wird auch als eine Heizeroberfläche 1h bezeichnet. Mit anderen Worten, die Pumpoberfläche Ip ist eine Hauptoberfläche, die näher am Gaseinlass 105, den drei Innenkammern und den Pumpzellen liegt als am Heizer 150 und die Heizeroberfläche 1h ist eine Hauptoberfläche, die näher am Heizer 150 liegt als am Gaseinlass 105, den drei Innenkammern und den Pumpzellen.In the following description of the two main surfaces of the element base 1 (the ceramic body 101 ) a major surface (or an outer surface of the sensor element 10 with the main surface), which is located on an upper side in 2 and on one side on which the main pumping cell P1 , the auxiliary pumping cell P2 and the measuring pump cell P3 are mainly provided, also referred to as a pumping surface Ip, and a main surface (or an outer surface of the sensor element 10 with the main surface), which is on a lower side in 2 and on one side, on which the heater 150 is provided, is also called a heater surface 1h designated. In other words, the pumping surface Ip is a major surface closer to the gas inlet 105 , the three inner chambers and the pump cells than on the heater 150 and the heater surface 1h is a major surface that is closer to the heater 150 than at the gas inlet 105 , the three inner chambers and the pump cells.

Eine Vielzahl von Elektrodenanschlüssen 160 sind auf den jeweiligen Hauptoberflächen des Keramikkörpers 101 auf der Seite des anderen Endabschnitts E2 ausgebildet, um eine elektrische Verbindung zwischen dem Sensorelement 10 und der Außenseite herzustellen. Diese Elektrodenanschlüsse 160 sind mit den vorstehend erwähnten fünf Elektroden, den gegenüberliegenden Enden des Heizers 150 und einer Leitung zum Erfassen des Heizerwiderstands, die nicht dargestellt ist, über Leitungen, die im Inneren des Keramikkörpers 101 vorgesehen sind, elektrisch verbunden, um eine vorbestimmte Korrespondenzbeziehung herzustellen. Das Anlegen einer Spannung von der Pumpzellenstromversorgung 30 an jede Pumpzelle des Sensorelements 10 und die Erwärmung durch den Heizer 150, der von der Heizerstromversorgung 40 gespeist wird, erfolgen somit über die Elektrodenanschlüsse 160.A variety of electrode connections 160 are on the respective main surfaces of the ceramic body 101 on the side of the other end portion E2 designed to establish an electrical connection between the sensor element 10 and the outside. These electrode connections 160 are with the aforementioned five electrodes, the opposite ends of the heater 150 and a line for detecting the heater resistance, not shown, via lines made inside the ceramic body 101 are provided, electrically connected to establish a predetermined correspondence relationship. The application of a voltage from the pump cell power supply 30th to each pump cell of the sensor element 10 and the heating by the heater 150 from the heater power supply 40 is fed, thus take place via the electrode connections 160 .

Das Sensorelement 10 enthält außerdem die vorstehend erwähnten Hauptoberflächen-Schutzschichten 170 (170a und 170b) auf der Pumpoberfläche 1p und der Heizeroberfläche 1h des Keramikkörpers 101. Die Hauptoberflächen-Schutzschichten 170 sind Schichten aus Aluminiumoxid, die eine Dicke von etwa 5 µm bis 30 µm aufweisen und Poren mit einer Porosität von etwa 20 % bis 40 % enthalten und dazu vorgesehen sind, das Anhaften von Fremdkörpern und giftigen Substanzen an den Hauptoberflächen (der Pumpoberfläche 1p und der Heizeroberfläche 1h) des Keramikkörpers 101 und der äußeren Pumpelektrode 141, die auf einer Seite der Pumpoberfläche 1p vorgesehen ist, zu verhindern. Die Hauptoberflächen-Schutzschicht 170a auf der Seite der Pumpoberfläche 1p fungiert somit als eine Pumpelektroden-Schutzschicht zum Schutz der äußeren Pumpelektrode 141.The sensor element 10 also contains the above-mentioned main surface protective layers 170 ( 170a and 170b ) on the pump surface 1p and the heater surface 1h of the ceramic body 101 . The main surface protective layers 170 are layers of aluminum oxide that have a thickness of about 5 µm to 30 µm and contain pores with a porosity of about 20% to 40% and are intended to prevent foreign bodies and toxic substances from adhering to the main surfaces (the pump surface 1p and the heater surface 1h ) of the ceramic body 101 and the outer pumping electrode 141 that are on one side of the pumping surface 1p is intended to prevent. The main surface protective layer 170a on the side of the pumping surface 1p thus acts as a protective pumping electrode layer to protect the outer pumping electrode 141 .

In der vorliegenden Ausführungsform wird die Porosität durch Anwendung eines bekannten Bildverarbeitungsverfahrens (zum Beispiel Binarisierungsverarbeitung) auf ein Rasterelektronenmikroskop (REM)-Bild eines Auswertungstargets ermittelt.In the present embodiment, the porosity is determined by applying a known image processing method (for example, binarization processing) to a scanning electron microscope (SEM) image of an evaluation target.

Die Hauptoberflächen-Schutzschichten 170 sind im Wesentlichen über die gesamte Pumpoberfläche 1p und der Heizeroberfläche 1h vorgesehen, mit Ausnahme der in 2 teilweise freiliegenden Elektrodenanschlüsse 160, aber dies ist nur ein Beispiel. Die Hauptoberflächen-Schutzschichten 170 können im Vergleich zu dem in 2 dargestellten Fall lokal in der Nähe der äußeren Pumpelektrode 141 auf der Seite des einen Endabschnitts E1 vorgesehen sein.The main surface protective layers 170 are essentially over the entire pump surface 1p and the heater surface 1h provided, with the exception of those in 2 partially exposed electrode connections 160 but this is just an example. The main surface protective layers 170 compared to the in 2 case shown locally in the vicinity of the outer pump electrode 141 on the side of one end portion E1 be provided.

<Einzelheiten der Führungsende-Schutzschicht><Details of the leading end protective layer>

In dem Sensorelement 10 ist die Führungsende-Schutzschicht 2 um eine äußerste Peripherie der Elementbasis 1 herum vorgesehen, die eine Konfiguration wie in einem vorbestimmten Bereich von dem einen Endabschnitt E1 aufweist.In the sensor element 10 is the leading end protective layer 2 around an outermost periphery of the element base 1 provided around having a configuration as in a predetermined range from the one end portion E1 having.

Die Führungsende-Schutzschicht 2 ist so vorgesehen, dass sie einen Abschnitt der Elementbasis 1 umgibt, in dem die Temperatur hoch wird (bis zu etwa 700°C bis 800°C), wenn der Gassensor 100 in Gebrauch ist, um die Wasserbeständigkeit in dem Abschnitt sicherzustellen, um dadurch das Auftreten von Rissen (wasserinduzierte Risse) der Elementbasis 1 aufgrund eines thermischen Schocks zu unterdrücken, der durch eine lokale Temperatursenkung bei direktem Kontakt des Abschnitts mit Wasser verursacht wird.The leading end protective layer 2 is designed to cover a portion of the element base 1 where the temperature becomes high (up to about 700 ° C to 800 ° C) when the gas sensor 100 is in use to ensure water resistance in the portion, thereby preventing cracks (water-induced cracks) from occurring in the element base 1 due to thermal shock caused by a local temperature decrease when the section is in direct contact with water.

In der vorliegenden Ausführungsform wird als Ergebnis des wiederholten Eintropfens einer vorbestimmten Wassermenge auf die Führungsende-Schutzschicht 2 bis vor und nach dem Eintropfen eine Anomalität des Pumpstroms Ip0 auftritt, eine maximale Menge an eingetropftem Wasser, die keine Anomalität des Pumpstroms Ip0 verursacht, als kritische Wassermenge definiert. Ob die Wasserbeständigkeit gut ist oder nicht, wird anhand der Größe eines Wertes der kritischen Wassermenge bestimmt. In diesem Fall kann der Begriff „Wasserbeständigkeit“ im Sinne der kritischen Wassermenge verwendet werden.In the present embodiment, as a result of repeatedly dripping a predetermined amount of water on the leading end protective layer 2 until an abnormality of the pumping current Ip0 occurs before and after the dropping, a maximum amount of the dropped water that does not cause the abnormality of the pumping current Ip0 is defined as the critical amount of water. Whether or not the water resistance is good is determined from the magnitude of a value of the critical amount of water. In this case, the term “water resistance” can be used in the sense of the critical amount of water.

Zusätzlich ist die Führungsende-Schutzschicht 2 zur Sicherung der Vergiftungsresistenz vorgesehen, um das Eindringen von vergiftenden Substanzen, wie Mg, in das Sensorelement 10 zu verhindern.In addition, there is the leading end protective layer 2 intended to ensure resistance to poisoning, to prevent poisoning substances such as Mg from penetrating into the sensor element 10 to prevent.

Die Führungsende-Schutzschicht 2 ist zur Abdeckung der Führungsende-Oberfläche 101e und den vier Seitenoberflächen der Elementbasis 1 auf der Seite des einen Endabschnitts E1 (um eine äußere Peripherie der Elementbasis 1 auf der Seite des einen Endabschnitts E1) vorgesehen. Ein Abschnitt der Führungsende-Schutzschicht 2 auf einer Seite der Führungsende-Oberfläche 101e wird insbesondere als Führungsende-Abschnitt 2e bezeichnet, ein Abschnitt der Führungsende-Schutzschicht 2 auf der Seite der Pumpoberfläche 1p wird insbesondere als Pumpoberflächenabschnitt 2p bezeichnet und ein Abschnitt der Führungsende-Schutzschicht 2 auf einer Seite der Heizeroberfläche 1h wird insbesondere als Heizeroberflächenabschnitt 2h bezeichnet.The leading end protective layer 2 is to cover the leading end surface 101e and the four side surfaces of the element base 1 on the side of one end portion E1 (around an outer periphery of the element base 1 on the side of one end portion E1 ) intended. A section of the Leading end protective layer 2 on one side of the leading end surface 101e is used in particular as a leading section 2e denotes a portion of the leading end protective layer 2 on the side of the pumping surface 1p is used in particular as a pumping surface section 2p and a portion of the leading end protective layer 2 on one side of the heater surface 1h is used in particular as a heater surface section 2h designated.

Die Führungsende-Schutzschicht 2 aus Aluminiumoxid weist eine Porosität von 10 % bis 40 % auf. Die Führungsende-Schutzschicht 2 ist als eine Schicht mit geringer Wärmeleitfähigkeit mit hoher Porosität vorgesehen, um eine Funktion der Wärmeleitung von außen zum Elementträger 1 zu unterdrücken.The leading end protective layer 2 made of alumina has a porosity of 10% to 40%. The leading end protective layer 2 is provided as a layer with low thermal conductivity with high porosity in order to have a function of heat conduction from the outside to the element carrier 1 to suppress.

Die Führungsende-Schutzschicht 2 ist so ausgebildet, dass sie eine Dicke aufweist, die sich aus der Lagebeziehung zwischen den beiden Hauptoberflächen (der Pumpoberfläche 1p und der Heizeroberfläche 1h) der Elementbasis 1 als Hauptbildungszielflächen, der Führungsende-Oberfläche 101e des Keramikkörpers 101 mit dem Gaseinlass 105 und dem Heizer 150 ergibt, während die Wasserbeständigkeit des Sensorelements 10 sichergestellt wird. Die Einzelheiten dazu werden später beschrieben.The leading end protective layer 2 is designed so that it has a thickness which results from the positional relationship between the two main surfaces (the pump surface 1p and the heater surface 1h ) the element base 1 as the main educational target areas, the leading end surface 101e of the ceramic body 101 with the gas inlet 105 and the stoker 150 results while the water resistance of the sensor element 10 is ensured. The details will be described later.

Die Führungsende-Schutzschicht 2 wird durch sequenzielles thermisches Sprühen (Plasmasprühen) eines entsprechenden Materials auf die Elementbasis 1 gebildet. Dadurch wird ein Verankerungseffekt zwischen der Elementbasis 1 und der Führungsende-Schutzschicht 2 entwickelt, um dadurch ein sicheres Bonding (Adhäsion) der Führungsende-Schutzschicht 2 mit der Elementbasis 1 zu gewährleisten.The leading end protective layer 2 is made by sequential thermal spraying (plasma spraying) of an appropriate material on the element base 1 educated. This creates an anchoring effect between the element base 1 and the leading end protective layer 2 Developed to thereby ensure a secure bonding (adhesion) of the leading end protective layer 2 with the element base 1 to guarantee.

<Fall, in dem die Führungsende-Schutzschicht eine laminierte Struktur aufweist><Case where the leading end protective layer has a laminated structure>

Während in 2 das Sensorelement 10 einschließlich der Führungsende-Schutzschicht 2 als eine einzige Schicht dargestellt ist, kann die Führungsende-Schutzschicht 2 eine Laminatstruktur, bei der zwei oder mehr Schichten (Einheitsschichten) laminiert werden, aufweisen.While in 2 the sensor element 10 including the leading end protective layer 2 shown as a single layer, the leading end protective layer 2 a laminate structure in which two or more layers (unit layers) are laminated.

3 zeigt den Gassensor 100 in einem Fall, in dem die Führungsende-Schutzschicht 2 eine zweischichtige Konfiguration aus einer inneren Führungsende-Schutzschicht 2a und einer äußeren Führungsende-Schutzschicht 2b aufweist. In einem in 3 dargestellten Fall ist die innere Führungsende-Schutzschicht 2a die gleiche Schicht wie die Führungsende-Schutzschicht 2 des in 2 dargestellten Sensorelements 10 und die äußere Führungsende-Schutzschicht 2b ist vorgesehen, um die innere Führungsende-Schutzschicht 2a zu umgeben. 3rd shows the gas sensor 100 in a case where the leading end protective layer 2 a two-layer configuration of an inner lead end protective layer 2a and an outer lead end protective layer 2 B having. In an in 3rd illustrated case is the inner leading end protective layer 2a the same layer as the leading end protective layer 2 of the in 2 shown sensor element 10 and the outer leading end protective layer 2 B is provided around the inner lead end protective layer 2a to surround.

Die äußere Führungsende-Schutzschicht 2b besteht aus Aluminiumoxid und weist eine geringere Porosität von 10 % bis 40 % als jede andere Schicht (die innere Führungsende-Schutzschicht 2a in dem in 3 dargestellten Fall), die sich innerhalb der äußeren Führungsende-Schutzschicht 2b befindet, auf. Die in 3 dargestellte Führungsende-Schutzschicht 2 weist somit eine Konfiguration auf, bei der eine Schicht mit einer geringeren Wärmeleitfähigkeit als die äußere Führungsende-Schutzschicht 2b mit der äußeren Führungsende-Schutzschicht 2b bedeckt ist, die eine geringere Porosität als die Schicht aufweist.The outer leading end protective layer 2 B is made of alumina and has a porosity of 10% to 40% lower than any other layer (the inner lead end protective layer 2a in the in 3rd case shown), which is located within the outer leading end protective layer 2 B is located on. In the 3rd shown leading end protective layer 2 thus has a configuration in which a layer having a lower thermal conductivity than the outer leading end protective layer 2 B with the outer leading end protective layer 2 B is covered, which has a lower porosity than the layer.

Wie bei der inneren Führungsende-Schutzschicht 2a wird die äußere Führungsende-Schutzschicht 2b durch sequentielles thermisches Sprühen (Plasmasprühen) eines Materials dafür gebildet.As with the inner leading end protective layer 2a becomes the outer leading end protective layer 2 B formed by sequential thermal spraying (plasma spraying) of a material therefor.

In einem Fall, in dem die Führungsende-Schutzschicht 2 die vorstehend beschriebene laminierte Struktur aufweist, ist jede Einheitsschicht so ausgebildet, dass sie eine Dicke im Hinblick auf die Lagebeziehung zwischen der Pumpoberfläche 1p, der Heizeroberfläche 1h, der Führungsende-Oberfläche 101e und dem Heizer 150 aufweist, während sie die Wasserbeständigkeit des Sensorelements 10 sicherstellt. Folglich hat die Führungsende-Schutzschicht 2 eine Gesamtdicke im Hinblick auf die Lagebeziehung.In a case where the leading end protective layer 2 having the laminated structure described above, each unit layer is formed to have a thickness in view of the positional relationship between the pumping surface 1p , the heater surface 1h , the leading surface 101e and the stoker 150 while maintaining the water resistance of the sensor element 10 ensures. Consequently, the leading end protective layer has 2 a total thickness in terms of positional relationship.

Zwischen der Elementbasis 1 und der inneren Führungsende-Schutzschicht 2a kann eine nicht dargestellte Unterschicht gebildet werden, um die Haftung der inneren Führungsende-Schutzschicht 2a zu verbessern. Im Gegensatz zur inneren Führungsende-Schutzschicht 2a und dergleichen, die durch thermisches Sprühen nach Fertigstellung der Elementbasis 1 gebildet wird, wird die Unterschicht gleichzeitig mit der Elementbasis 1 gebildet.Between the element base 1 and the inner leading end protective layer 2a For example, an undercoat, not shown, may be formed to adhere the inner lead end protective layer 2a to improve. In contrast to the inner leading end protective layer 2a and the like made by thermal spraying after the element base is completed 1 is formed, the underlayer is formed simultaneously with the element base 1 educated.

<Dicke jedes Abschnitts der Führungsende-Schutzschicht><Thickness of each portion of the leading end protective layer>

Die Dicke (die Gesamtdicke) jedes Abschnitts der Führungsende-Schutzschicht 2, die in dem Sensorelement 10 des Gassensors 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform enthalten ist, wird als nächstes beschrieben. In der vorliegenden Ausführungsform ist die Führungsende-Schutzschicht 2 so ausgebildet, dass sie eine Dicke aufweist, die sich aus der Lagebeziehung zwischen der Pumpoberfläche 1p, der Heizeroberfläche 1h, der Führungsende-Oberfläche 101e und dem Heizer 150 ergibt, wie vorstehend beschrieben.The thickness (the total thickness) of each portion of the leading end protective layer 2 that are in the sensor element 10 of the gas sensor 100 according to the present embodiment is included next described. In the present embodiment, the leading end protective layer is 2 formed to have a thickness resulting from the positional relationship between the pumping surface 1p , the heater surface 1h , the leading surface 101e and the stoker 150 results as described above.

Zunächst wird eine Beziehung zwischen der Dicke der Führungsende-Schutzschicht 2 auf jeder Seite der Pumpoberfläche 1p und der Seite der Heizeroberfläche 1h und der Position des Heizers 150 beschrieben.First, a relationship between the thickness of the leading end protective layer will be discussed 2 on each side of the pumping surface 1p and the side of the heater surface 1h and the position of the heater 150 described.

Die Führungsende-Schutzschicht 2 ist so vorgesehen, dass die nachstehende Ungleichung (1) sowohl im Pumpoberflächenabschnitt 2p als auch im Heizeroberflächenabschnitt 2h erfüllt ist, wobei n (n ist eine natürliche Zahl) die Anzahl der Einheitsschichten ist, die die Führungsende-Schutzschicht 2 bilden, Ts,i (i = 1 bis n) die Dicke in µm der i-ten Einheitsschicht von einer Seite der Elementbasis 1 ist (s = p im Fall der Dicke des Pumpoberflächenabschnitts 2p, und s = h im Fall der Dicke des Heizeroberflächenabschnitts 2h), pi die Porosität in % der i-ten Einheitsschicht ist und Ls der Abstand in mm vom Heizer 150 zur Hauptoberfläche der Elementbasis 1 (s = p im Fall des Abstands auf der Seite der Pumpoberfläche 1p und s = h im Fall des Abstands auf der Seite der Heizeroberfläche 1h) ist. 1 100000 T s ,i ρ i L e > 0,1     ( s = p oder h; i = 1 n )

Figure DE102020007501A1_0002
The leading end protective layer 2 is provided so that the following inequality (1) both in the pumping surface portion 2p as well as in the heater surface section 2h is satisfied, where n (n is a natural number) is the number of unit layers that make up the leading end protective layer 2 form, T s, i (i = 1 to n) the thickness in µm of the i-th unit layer from one side of the element base 1 is (s = p in the case of the thickness of the pumping surface portion 2p , and s = h in the case of the thickness of the heater surface portion 2h) , p i is the porosity in% of the i-th unit layer and L s is the distance in mm from the heater 150 to the main surface of the element base 1 (s = p in the case of the distance on the side of the pumping surface 1p and s = h in the case of the clearance on the side of the heater surface 1h ) is. 1 100,000 T s , i ρ i L. e > 0.1 ( s = p or h; i = 1 n )
Figure DE102020007501A1_0002

In diesem Fall ist eine gute Wasserbeständigkeit des Pumpoberflächenabschnitts 2p und des Heizeroberflächenabschnitts 2h gewährleistet. Insbesondere kann eine Wasserbeständigkeit von mehr als 6 µl erreicht werden. Ein Wert auf der linken Seite der Ungleichung wird im Folgenden als Hauptoberflächen-Dickenindexwert bezeichnet.In this case there is good water resistance of the pump surface portion 2p and the heater surface portion 2h guaranteed. In particular, a water resistance of more than 6 µl can be achieved. A value on the left side of the inequality is hereinafter referred to as a major surface thickness index value.

In einem Fall, in dem die Anzahl der Einheitsschichten eins ist (i = 1), wie bei dem in 2 dargestellten Sensorelement 10, kann ein tiefgestelltes i in der Ungleichung (1) weggelassen werden. In 2 ist Tp,i = Tp und Th,i = Th. In 3 ist Tp,1 = Tp1, Th,1 = Th1, Tp,2 = Tp2 und Th,2 = Th2.In a case where the number of unit layers is one (i = 1), as in the one in FIG 2 shown sensor element 10 , a subscript i can be omitted from inequality (1). In 2 is T p, i = T p and T h, i = T h . In 3rd is T p, 1 = T p1 , T h, 1 = T h1 , T p, 2 = T p2 and T h, 2 = T h2 .

Es ist bekannt, dass der Hauptoberflächen-Dickenindexwert eine positive Korrelation mit der Wasserbeständigkeit aufweist. Das heißt, das Sensorelement 10 mit einem größeren Hauptoberflächen-Dickenindexwert weist eine bessere Wasserbeständigkeit auf jeder Seite der Pumpoberfläche 1p und der Seite der Heizeroberfläche 1h des Sensorelements 10 auf. Insbesondere ist ein Term Ts,i · pi/Ls, der den Hauptoberflächen-Dickenindexwert bereitstellt, umgekehrt proportional zum Abstand Ls vom Heizer 150 zur Hauptoberfläche der Elementbasis 1 und ist proportional zur Dicke Ts,i der Einheitsschicht. Die Ungleichung (1) bedeutet somit, dass eine ausgezeichnete Wasserbeständigkeit des Pumpoberflächenabschnitts 2p und des Heizeroberflächenabschnitts 2h erhalten werden kann, indem die Einheitsschichten, die den Pumpoberflächenabschnitt 2p bilden, und die Einheitsschichten, die den Heizeroberflächenabschnitt 2h bilden, jeweils auf der Seite der Pumpoberfläche 1p und der Seite der Heizeroberfläche 1h vorgesehen werden, so dass jede Einheitsschicht eine Dicke in Anbetracht des Abstands Ls von dem Heizer 150 zur Hauptoberfläche der Elementbasis 1 aufweist. Dies liegt vermutlich daran, dass mit zunehmendem Abstand zwischen dem Heizer 150 und jeder Hauptoberfläche der Elementbasis 1 eine Temperaturdifferenz im Inneren des Sensorelements 10 zunimmt und die Beständigkeit gegen thermischen Schock verschlechtert wird. Bei dem in den 2 und 3 dargestellten Sensorelement 10 liegt die Heizeroberfläche 1h näher an dem Heizer 150 als die Pumpoberfläche 1p, so dass der Heizeroberflächenabschnitt 2h mit einer geringeren Dicke als der Pumpoberflächenabschnitt 2p ausgebildet ist, um zu bewirken, dass der Heizeroberflächenabschnitt 2h und der Pumpoberflächenabschnitt 2p eine gleichwertige Wasserbeständigkeit aufweisen.It is known that the major surface thickness index value has a positive correlation with water resistance. That is, the sensor element 10 having a larger major surface thickness index value indicates better water resistance on either side of the pumping surface 1p and the side of the heater surface 1h of the sensor element 10 on. In particular, a term T s, i · pi / L s that provides the major surface thickness index value is inversely proportional to the distance L s from the heater 150 to the main surface of the element base 1 and is proportional to the thickness T s, i of the unit layer. Inequality (1) thus means that the pump surface portion is excellent in water resistance 2p and the heater surface portion 2h can be obtained by adding the unit layers that make up the pumping surface portion 2p and the unit layers that form the heater surface portion 2h form, each on the side of the pump surface 1p and the side of the heater surface 1h may be provided so that each unit layer has a thickness considering the distance L s from the heater 150 to the main surface of the element base 1 having. This is presumably because the greater the distance between the heater 150 and each major surface of the element base 1 a temperature difference inside the sensor element 10 increases and the thermal shock resistance is deteriorated. The one in the 2 and 3rd shown sensor element 10 is the heater surface 1h closer to the heater 150 than the pumping surface 1p so that the heater surface portion 2h with a smaller thickness than the pumping surface portion 2p is configured to cause the heater surface portion 2h and the pumping surface portion 2p have an equivalent water resistance.

Andererseits ist eine übermäßige Zunahme der Dicke der inneren Führungsende-Schutzschicht 2a und der äußeren Führungsende-Schutzschicht 2b in jedem der Pumpoberflächenabschnitte 2p und des Heizeroberflächenabschnitts 2h nicht bevorzugt, da eine thermische Belastung, die auf den Heizer 150 bei einem Temperaturanstieg ausgeübt wird, zunimmt, und als Folge davon kann das Sensorelement 10 reißen. Unter diesem Gesichtspunkt weist die innere Führungsende-Schutzschicht 2a vorzugsweise eine Dicke von 800 µm oder weniger auf und die äußere Führungsende-Schutzschicht 2b weist vorzugsweise eine Dicke von 400 µm oder weniger in jedem von dem Pumpoberflächenabschnitt 2p und dem Heizeroberflächenabschnitt 2h auf.On the other hand, there is an excessive increase in the thickness of the inner leading end protective layer 2a and the outer leading end protective layer 2 B in each of the pumping surface sections 2p and the heater surface portion 2h not preferred because of thermal stress on the heater 150 when the temperature rises, increases, and as a result, the sensor element 10 tear. From this point of view, the inner leading end protective layer 2a preferably a thickness of 800 µm or less and the outer leading end protective layer 2 B preferably has a thickness of 400 µm or less in each of the pump surface portion 2p and the heater surface portion 2h on.

Eine Beziehung zwischen der Dicke der Führungsende-Schutzschicht 2 auf einer Seite der Führungsende-Oberfläche 101e mit dem Gaseinlass 105 und der Position des Heizers 150 wird als nächstes beschrieben.A relationship between the thickness of the leading end protective layer 2 on one side of the leading end surface 101e with the gas inlet 105 and the position of the heater 150 will be described next.

Die Führungsende-Schutzschicht 2 ist auf der Führungsende-Oberfläche 101e so vorgesehen, dass eine nachstehende Ungleichung (2) erfüllt ist, wobei n (n ist eine natürliche Zahl) die Anzahl der Einheitsschichten ist, die den Führungsende-Abschnitt 2e der Führungsende-Schutzschicht 2 bilden, Tj (j = 1 bis n) die Dicke (eine Größe in der Längsrichtung des Elements) der j-ten Einheitsschicht von der Seite des Elementkörpers 1 ist, pj die Porosität in % der j-ten Einheitsschicht ist und Le der Abstand in mm von dem Heizer 150 zu der Führungsende-Oberfläche 101e ist. 1 100000 T j ρ j L e > 0,05     ( j = 1 n )

Figure DE102020007501A1_0003
The leading end protective layer 2 is on the leader surface 101e provided so that an inequality (2) below is satisfied, where n (n is a natural number) is the number of unit layers that make up the leading end portion 2e the leading end protective layer 2 form, T j (j = 1 to n) the thickness (a size in the lengthwise direction of the element) of the j-th unit layer from the side of the element body 1 is, p j is the porosity in% of the j-th unit layer and L e is the distance in mm from the heater 150 to the leading end surface 101e is. 1 100,000 T j ρ j L. e > 0.05 ( j = 1 n )
Figure DE102020007501A1_0003

In diesem Fall wird eine gute Wasserbeständigkeit des Führungsende-Abschnitts 2e der Führungsende-Schutzschicht 2 sichergestellt. Insbesondere kann eine Wasserbeständigkeit von mehr als 5 µl erhalten werden. Ein Wert auf einer linken Seite der Ungleichung wird im Folgenden als ein Führungsende-Dickenindexwert bezeichnet.In this case, the water resistance of the leading end portion becomes good 2e the leading end protective layer 2 ensured. In particular, a water resistance of more than 5 μl can be obtained. A value on a left side of the inequality is hereinafter referred to as a leading end thickness index value.

In einem Fall einer einzelnen Schicht, wie in 2 dargestellt, wird die Führungsende-Schutzschicht 2, die die Ungleichung (2) erfüllt, beispielsweise erreicht, wenn:

  • 300 µm ≤ T1 ≤ 500 µm;
  • 20% ≤ p1 ≤ 30%; und
  • 0,35 mm ≤ Le ≤ 1,3 mm.
In a single layer case, as in 2 is shown, the leading end protective layer 2 which satisfies inequality (2) is achieved, for example, when:
  • 300 µm T 1 500 µm;
  • 20% ≤ p 1 ≤ 30%; and
  • 0.35 mm ≤ L e ≤ 1.3 mm.

In einem Fall der zweischichtigen Konfiguration, wie in 3 dargestellt, wird die Führungsende-Schutzschicht 2, die die Ungleichung (2) erfüllt, zum Beispiel erreicht, wenn:

  • 300 µm ≤ T1 ≤ 850 µm;
  • 40% ≤ pi ≤ 80%;
  • 150 µm≤ T2 ≤ 350 µm;
  • 15% ≤ p2 ≤ 40%; und
  • 0,35 mm ≤ Le ≤ 1,3 mm.
In a case of the two-tier configuration as shown in 3rd is shown, the leading end protective layer 2 which satisfies inequality (2) is achieved, for example, when:
  • 300 µm T 1 850 µm;
  • 40% ≤ p i ≤ 80%;
  • 150 µm T 2 350 µm;
  • 15% ≤ p 2 ≤ 40%; and
  • 0.35 mm ≤ L e ≤ 1.3 mm.

Wie beim Hauptoberflächen-Dickenindexwert weist der Führungsende-Dickenindexwert bekanntlich eine positive Korrelation mit der Wasserbeständigkeit auf. Das heißt, dass das Sensorelement 10 mit einem größeren Führungsende-Dickenindexwert eine bessere Wasserbeständigkeit auf der Seite des einen Endabschnitts E1 aufweist. Insbesondere ist ein Term Tj · pj/Le, der den Führungsende-Dickenindexwert bereitstellt, umgekehrt proportional zum Abstand Le von dem Heizer 150 zur Führungsende-Oberfläche 101e und ist proportional zur Dicke Tj der Einheitsschicht auf der Seite des einen Endabschnitts E1. Die Ungleichung (2) bedeutet also, dass eine ausgezeichnete Wasserbeständigkeit des Führungsende-Abschnitts 2e dadurch erreicht werden kann, dass die Einheitsschichten, die den Führungsende-Abschnitt 2e bilden, so vorgesehen werden, dass jede Einheitsschicht eine Dicke in Anbetracht des Abstands Le von dem Heizer 150 zur Führungsende-Oberfläche 101e aufweist. Dies ist vermutlich auch deshalb so, weil mit zunehmendem Abstand zwischen dem Heizer 150 und der Führungsende-Oberfläche 101e die Temperaturdifferenz im Inneren des Sensorelements 10 zunimmt und die Beständigkeit gegen thermischen Schock verschlechtert wird.As with the major surface thickness index value, the leading end thickness index value is known to have a positive correlation with water resistance. That is, the sensor element 10 with a larger leading end thickness index value, better water resistance on the one end portion side E1 having. In particular, a term T j * p j / L e that provides the leading end thickness index value is inversely proportional to the distance L e from the heater 150 to the leading end surface 101e and is proportional to the thickness T j of the unit layer on the side of the one end portion E1 . Thus, inequality (2) means that the leading end portion is excellent in water resistance 2e can be achieved in that the unit layers that make up the leading end portion 2e should be provided so that each unit layer has a thickness considering the distance L e from the heater 150 to the leading end surface 101e having. This is presumably also because the greater the distance between the heater 150 and the leading end surface 101e the temperature difference inside the sensor element 10 increases and the thermal shock resistance is deteriorated.

Anders betrachtet ist die Wasserbeständigkeit des Sensorelements 10 gesichert, solange die Dicke jeder Einheitsschicht so bestimmt wird, dass die Ungleichung (1) in jedem Pumpoberflächenabschnitt 2p und des Heizeroberflächenabschnitts 2h erfüllt ist, und die Ungleichung (2) im Führungsende-Abschnitt 2e erfüllt ist. Es kann also gesagt werden, dass es eine geringe Notwendigkeit, die Führungsende-Schutzschicht 2 mit einer extrem großen Dicke bereitzustellen, gibt. In einem solchen Fall wird die Verringerung der Ansprechempfindlichkeit und des Temperaturanstiegsverhaltens zu einem Problem. Es kann also gesagt werden, dass die Ungleichungen (1) und (2) Anforderungen sind, um die Wasserbeständigkeit auf der Seite der Hauptoberflächen und auf der Seite des einen Endabschnitts sicherzustellen, ohne eine Verringerung der Ansprechempfindlichkeit und des Temperaturanstiegsverhaltens zu verursachen.Viewed differently, the water resistance of the sensor element is 10 secured as long as the thickness of each unit layer is determined so that the inequality (1) in each pumping surface portion 2p and the heater surface portion 2h is satisfied, and inequality (2) in the leading section 2e is satisfied. So it can be said that there is little need for the leading end protective layer 2 with an extremely large thickness. In such a case, the decrease in responsiveness and temperature rise behavior becomes a problem. Thus, it can be said that inequalities (1) and (2) are requirements to ensure water resistance on the main surface side and on the one end portion side without causing decrease in responsiveness and temperature rise behavior.

Die Führungsende-Schutzschicht 2 ist vorzugsweise so vorgesehen, dass sie die zweischichtige Konfiguration der inneren Führungsende-Schutzschicht 2a und der äußeren Führungsende-Schutzschicht 2b aufweist, wie in 3 dargestellt, und dass sie eine nachstehende Ungleichung (3) erfüllt. 1 100000 T j ρ j L e > 0,18     ( j = 1,2 )

Figure DE102020007501A1_0004
The leading end protective layer 2 is preferably provided to have the two-layer configuration of the inner lead end protective layer 2a and the outer leading end protective layer 2 B as in 3rd and that it satisfies an inequality (3) below. 1 100,000 T j ρ j L. e > 0.18 ( j = 1.2 )
Figure DE102020007501A1_0004

In diesem Fall wird eine bessere Wasserbeständigkeit des Führungsende-Abschnitts 2e sichergestellt. Insbesondere kann eine Wasserbeständigkeit von mehr als 10 µl erhalten werden.In this case, the leading end portion becomes better water resistance 2e ensured. In particular, a water resistance of more than 10 μl can be obtained.

Die Führungsende-Schutzschicht 2, die die Ungleichung (3) erfüllt, ist zum Beispiel erreicht, wenn:

  • 300 µm ≤ T1 ≤ 850 µm;
  • 40% ≤ pi ≤ 80%;
  • 150 µm ≤ T2 ≤ 350 µm;
  • 15% ≤ p2 ≤ 40%; und
  • 0,35 mm ≤ Le ≤ 1,3 mm.
The leading end protective layer 2 which satisfies inequality (3) is reached, for example, when:
  • 300 µm T 1 850 µm;
  • 40% ≤ p i ≤ 80%;
  • 150 µm T 2 350 µm;
  • 15% ≤ p 2 ≤ 40%; and
  • 0.35 mm ≤ L e ≤ 1.3 mm.

Die Führungsende-Schutzschicht 2 ist vorzugsweise auf der Führungsende-Oberfläche 101e vorgesehen, um eine nachstehende Ungleichung (4) zu erfüllen. 1 100000 T j ρ j L e > 0,25     ( j = 1,2 )

Figure DE102020007501A1_0005
The leading end protective layer 2 is preferably on the leading end surface 101e is provided to satisfy an inequality (4) below. 1 100,000 T j ρ j L. e > 0.25 ( j = 1.2 )
Figure DE102020007501A1_0005

In diesem Fall wird eine extrem gute Wasserbeständigkeit des Führungsende-Abschnitts 2e sichergestellt. Insbesondere kann eine Wasserbeständigkeit von mehr als 20 µl erhalten werden.In this case, the water resistance of the leading end portion becomes extremely good 2e ensured. In particular, a water resistance of more than 20 μl can be obtained.

Die Führungsende-Schutzschicht 2, die die Ungleichung (4) erfüllt, ist zum Beispiel erreicht, wenn:

  • 300 µm ≤ T1 ≤ 850 µm;
  • 50% ≤ pi ≤ 80%;
  • 250 µm ≤ T2 ≤ 350 µm;
  • 15% ≤ p2 ≤ 40%; und
  • 0,35 mm ≤ Le ≤ 1,3 mm.
The leading end protective layer 2 which satisfies inequality (4) is reached, for example, when:
  • 300 µm T 1 850 µm;
  • 50% ≤ p i ≤ 80%;
  • 250 µm T 2 350 µm;
  • 15% ≤ p 2 ≤ 40%; and
  • 0.35 mm ≤ L e ≤ 1.3 mm.

Wie vorstehend dargelegt, ist in dem Sensorelement gemäß der vorliegenden Ausführungsform die Dicke eines Abschnitts, in dem der Gaseinlass der Führungsende-Schutzschicht vorgesehen ist, die einen Abschnitt der Elementbasis umgibt, in dem die Temperatur hoch wird, wenn der Gassensor in Gebrauch ist, so bestimmt, dass sie die Ungleichung (2) erfüllt, so dass eine gute Wasserbeständigkeit des Abschnitts des Sensorelements sichergestellt werden kann, ohne eine Verringerung der Ansprechempfindlichkeit zu verursachen.As stated above, in the sensor element according to the present embodiment, the thickness of a portion in which the gas inlet of the leading end protective layer is provided surrounding a portion of the element base where the temperature becomes high when the gas sensor is in use is as follows is determined to satisfy Inequality (2), so that good water resistance of the portion of the sensor element can be ensured without causing a decrease in responsiveness.

<Verfahren der Herstellung des Sensorelements><Method of manufacturing the sensor element>

Ein Beispiel für ein Verfahren zur Herstellung des Sensorelements 10 mit einer Konfiguration und Merkmalen wie vorstehend beschrieben wird als nächstes beschrieben. 4 ist ein Flussdiagramm der Verarbeitung bei der Herstellung des Sensorelements 10, wobei als Beispiel ein Fall angenommen wird, bei dem die Führungsende-Schutzschicht 2 die innere Führungsende-Schutzschicht 2a und die äußere Führungsende-Schutzschicht 2b, wie in 3 dargestellt, umfasst.An example of a method for manufacturing the sensor element 10 having a configuration and features as described above will next be described. 4th Fig. 13 is a flowchart of processing in manufacturing the sensor element 10 , taking as an example a case where the leading end protective layer 2 the inner leading end protective layer 2a and the outer leading end protective layer 2 B , as in 3rd shown includes.

Bei der Herstellung der Elementbasis 1 wird zunächst eine Vielzahl von Rohplatten (nicht dargestellt), die Grünplatten sind, die den sauerstoffionenleitenden Festelektrolyten, wie Zirkoniumdioxid, als eine keramische Komponente enthalten und auf denen kein Muster ausgebildet ist, hergestellt (Schritt S1).When making the element base 1 First, a plurality of green sheets (not shown) which are green sheets containing the oxygen ion conductive solid electrolyte such as zirconia as a ceramic component and on which no pattern is formed are prepared (step S1 ).

Die Rohplatten weisen eine Vielzahl von Plattenlöchern auf, die zur Positionierung beim Drucken und Laminieren dienen. Die Plattenlöcher werden vor der Herstellung des Musters in die Rohplatten eingearbeitet, zum Beispiel durch Stanzen mit einer Stanzmaschine. Grünplatten, die einem Abschnitt des Keramikkörpers 101 entsprechen, in dem ein Innenraum ausgebildet ist, enthalten auch durchdringende Abschnitte, die dem Innenraum entsprechen, der im Voraus zum Beispiel durch Stanzen wie vorstehend beschrieben ausgebildet wurde. Die Rohplatten müssen nicht die gleiche Dicke weisen und können unterschiedliche Dicken in Übereinstimmung mit den entsprechenden Abschnitten der schließlich gebildeten Elementbasis 1 aufweisen.The raw panels have a large number of panel holes that are used for positioning during printing and lamination. The plate holes are machined into the raw plates before the pattern is produced, for example by punching with a punching machine. Green sheets representing a portion of the ceramic body 101 in which an inner space is formed also include penetrating portions corresponding to the inner space formed in advance, for example, by punching as described above has been. The raw panels need not be of the same thickness and can have different thicknesses in accordance with the corresponding sections of the element base ultimately formed 1 exhibit.

Nach der Herstellung der den jeweiligen Schichten entsprechenden Rohplatten werden Musterdruck und Trocknung auf den einzelnen Rohplatten durchgeführt (Schritt S2). Insbesondere werden ein Muster verschiedener Elektroden, ein Muster des Heizers 150 und der Isolierschicht 151, ein Muster der Elektrodenanschlüsse 160, ein Muster der Hauptoberflächenschutzschichten 170, ein Muster der internen Verdrahtung, die nicht dargestellt ist, und Ähnliches gebildet. Das Auftragen oder Platzieren eines sublimierbaren Materials (Fluchtmaterial) zur Bildung des ersten Diffusionssteuerteils 110, des zweiten Diffusionssteuerteils 120, des dritten Diffusionssteuerteils 130 und des vierten Diffusionssteuerteils 140 wird ebenfalls zum Zeitpunkt des Musterdrucks durchgeführt. In einem Fall, in dem die Unterschicht gebildet wird, wird ein Muster zur Bildung der Unterschicht auf Rohplatten gedruckt, die nach der Laminierung zu einer obersten Schicht und einer untersten Schicht werden.After the production of the raw panels corresponding to the respective layers, pattern printing and drying are carried out on the individual raw panels (step S2 ). Specifically, a pattern of various electrodes becomes a pattern of the heater 150 and the insulating layer 151 , a pattern of the electrode connections 160 , a sample of the main surface protective layers 170 , an internal wiring pattern, not shown, and the like are formed. Applying or placing a sublimable material (escape material) to form the first diffusion control member 110 , the second diffusion control part 120 , the third diffusion control part 130 and the fourth diffusion control part 140 is also carried out at the time the sample is printed. In a case where the underlayer is formed, a pattern for forming the underlayer is printed on green sheets which, after lamination, become an uppermost layer and a lowermost layer.

Die Muster werden durch Auftragen von Pasten zur Musterbildung gemäß den für die jeweiligen Bildungsziele geforderten Eigenschaften mit bekannter Siebdrucktechnik auf die Rohplatten gedruckt. Zur Trocknung nach dem Druck kann eine bekannte Trocknungseinrichtung verwendet werden.The patterns are printed on the raw panels by applying pastes for pattern formation in accordance with the properties required for the respective educational objectives using known screen printing technology. A known drying device can be used for drying after printing.

Nach dem Bedrucken der einzelnen Rohplatten mit Mustern wird eine Bondingpaste gedruckt und getrocknet, um die Grünplatten zu laminieren und zu verbinden (Schritt S3). Zum Drucken der Bondingpaste kann die bekannte Siebdrucktechnik verwendet werden und zum Trocknen nach dem Drucken kann die bekannte Trocknungseinrichtung verwendet werden.After printing patterns on the individual raw panels, a bonding paste is printed and dried to laminate and bond the green panels (step S3 ). The known screen printing technique can be used for printing the bonding paste and the known drying device can be used for drying after printing.

Die Grünplatten, auf die ein Klebstoff aufgetragen wurde, werden dann in einer vorbestimmten Reihenfolge gestapelt und die gestapelten Grünplatten werden unter vorbestimmten Temperatur- und Druckbedingungen gecrimpt, um dadurch einen laminierten Körper zu bilden (Schritt S4). Insbesondere wird das Crimpen durchgeführt, indem die Grünplatten als Ziel der Laminierung auf einer vorbestimmten Laminiervorrichtung, die nicht dargestellt ist, gestapelt und gehalten werden, während die Grünplatten an den Plattenlöchern positioniert werden, und dann die Grünplatten zusammen mit der Laminiervorrichtung unter Verwendung einer Laminiermaschine, wie einer bekannten hydraulischen Pressmaschine, erhitzt und unter Druck gesetzt werden. Der Druck, die Temperatur und die Zeit für das Erwärmen und die Druckbeaufschlagung hängen von der zu verwendenden Laminiermaschine ab und diese Bedingungen können entsprechend festgelegt werden, um eine gute Laminierung zu erzielen. Das Muster zur Bildung der Unterschicht kann auf dem auf diese Weise erhaltenen laminierten Körper ausgebildet werden.The green sheets to which an adhesive has been applied are then stacked in a predetermined order, and the stacked green sheets are crimped under predetermined temperature and pressure conditions to thereby form a laminated body (step S4 ). Specifically, the crimping is performed by stacking and holding the green sheets as the target of lamination on a predetermined laminating device, not shown, while positioning the green sheets on the plate holes, and then placing the green sheets together with the laminating device using a laminating machine, such as a well-known hydraulic press machine, heated and pressurized. The pressure, temperature and time for heating and pressurization depend on the laminating machine to be used, and these conditions can be determined accordingly to achieve good lamination. The pattern for forming the underlayer can be formed on the laminated body thus obtained.

Nachdem der laminierte Körper wie vorstehend beschrieben erhalten wurde, wird der laminierte Körper an einer Vielzahl von Stellen ausgeschnitten, um Einheitskörper zu erhalten, die schließlich die einzelnen Elementbasen 1 werden (Schritt S5). Die so erhaltenen Einheitskörper werden dann jeweils bei einer Brenntemperatur von etwa 1300°C bis 1500°C gebrannt (Schritt S6). Dadurch wird die Elementbasis 1 hergestellt. Das heißt, die Elementbasis 1 wird durch integrales Brennen des Keramikkörpers 101 aus dem Festelektrolyten, den Elektroden und der Hauptoberflächen-Schutzschichten 170 erzeugt. Der Integralbrand wird auf diese Weise durchgeführt, so dass die Elektroden jeweils eine ausreichende Haftfestigkeit in der Elementbasis 1 aufweisen.After the laminated body is obtained as described above, the laminated body is cut out at a plurality of places to obtain unit bodies which ultimately become the individual element bases 1 be (step S5 ). The unit bodies obtained in this way are then each fired at a firing temperature of approximately 1300 ° C. to 1500 ° C. (step S6 ). This becomes the element base 1 produced. That is, the element base 1 is made by integral firing of the ceramic body 101 from the solid electrolyte, the electrodes and the main surface protective layers 170 generated. The integral firing is carried out in this way, so that the electrodes each have sufficient adhesive strength in the element base 1 exhibit.

Nachdem die Elementbasis 1 in der vorstehend genannten Weise hergestellt wurde, werden die innere Führungsende-Schutzschicht 2a und die äußere Führungsende-Schutzschicht 2b in Bezug auf die Elementbasis 1 gebildet. Die innere Führungsende-Schutzschicht 2a wird durch thermisches Sprühen von Pulver (Aluminiumoxidpulver) zur Bildung der inneren Führungsende-Schutzschicht gebildet, das vorher an einer Stelle der Elementbasis 1 als Ziel der Bildung der inneren Führungsende-Schutzschicht 2a hergestellt wurde, um eine beabsichtigte Dicke aufzuweisen (Schritt S7) und dann Brennen der Elementbasis 1, auf der ein aufgebrachter Film in der vorstehend genannten Weise gebildet wurde (Schritt S8). Das Aluminiumoxidpulver zur Bildung der inneren Führungsende-Schutzschicht enthält Aluminiumoxidpulver mit einer vorbestimmten Teilchengrößenverteilung und ein porenbildendes Material in einem Verhältnis, das einer gewünschten Porosität entspricht, und ein porenbildendes Material wird durch Brennen der Elementbasis 1 nach dem thermischen Sprühen pyrolysiert, um in geeigneter Weise die innere Führungsende-Schutzschicht 2a mit einer hohen Porosität von 40% bis 80% zu bilden. Für das thermische Sprühen und Brennen ist die bekannte Technologie anwendbar.After the element base 1 prepared in the above manner, the inner leading end protective layer 2a and the outer leading end protective layer 2 B in terms of the element base 1 educated. The inner leading end protective layer 2a is formed by thermally spraying powder (alumina powder) to form the inner leading end protective layer, which was previously applied to a location on the element base 1 as the target of forming the inner leading end protective layer 2a was made to have an intended thickness (step S7 ) and then firing the element base 1 on which an applied film has been formed in the above manner (step S8 ). The alumina powder for forming the inner leading end protective layer contains alumina powder having a predetermined particle size distribution and a pore-forming material in a ratio corresponding to a desired porosity, and a pore-forming material is made by firing the element base 1 pyrolyzed after thermal spraying to suitably form the inner lead end protective layer 2a with a high porosity of 40% to 80%. The known technology can be used for thermal spraying and baking.

Die innere Führungsende-Schutzschicht 2a kann veranlasst werden, unterschiedliche Dicken auf der Seite der Pumpoberfläche 1p, auf der Seite der Heizeroberfläche 1h und auf der Seite der Führungsende-Oberfläche 101e aufzuweisen, zum Beispiel durch Verringerung der Geschwindigkeit des thermischen Sprühens, Wiederholung des thermischen Sprühens auf denselben Abschnitt und andere Verfahren bei der Bildung auf einer Seite, auf der die Dicke erhöht werden soll.The inner leading end protective layer 2a can be made to have different thicknesses on the side of the pumping surface 1p , on the side of the heater surface 1h and on the leading end surface side 101e to have, for example, by reducing the speed of the thermal Spraying, repeating thermal spraying on the same portion, and other methods in forming on a side where the thickness is to be increased.

Nach der Bildung der inneren Führungsende-Schutzschicht 2a wird Pulver (Aluminiumoxidpulver) zur Bildung der äußeren Führungsende-Schutzschicht, das ebenfalls im Voraus hergestellt wurde, und Aluminiumoxidpulver mit einer vorbestimmten Teilchengrößenverteilung enthält, an einer Stelle der Elementbasis 1 als Ziel der Bildung der äußeren Führungsende-Schutzschicht 2b thermisch gesprüht, um eine beabsichtigte Dicke aufzuweisen (Schritt S9), um dadurch die äußere Führungsende-Schutzschicht 2b mit einer gewünschten Porosität zu bilden. Das Aluminiumoxidpulver zur Bildung der äußeren Führungsende-Schutzschicht enthält nicht das porenbildende Material. Die bekannte Technik ist auch für das thermische Sprühen anwendbar. Die Maßnahmen, die in einem Fall zu ergreifen sind, in dem die äußere Führungsende-Schutzschicht 2b auf der Seite der Pumpoberfläche 1p, auf der Seite der Heizeroberfläche 1h und auf der Seite der Führungsende-Oberfläche 101e unterschiedliche Dicken aufweist, sind ähnlich denen, die bei der Bildung der inneren Führungsende-Schutzschicht 2a ergriffen werden.After the formation of the inner leading end protective layer 2a For example, powder (alumina powder) for forming the outer leading end protective layer, which has also been prepared in advance and contains alumina powder having a predetermined particle size distribution, is placed in one position of the element base 1 as the target of forming the outer leading end protective layer 2 B thermally sprayed to have an intended thickness (step S9 ) to thereby create the outer leading end protective layer 2 B to form with a desired porosity. The alumina powder for forming the outer leading end protective layer does not contain the pore-forming material. The known technique is also applicable to thermal spraying. The measures to be taken in a case where the outer leading end protective layer 2 B on the side of the pumping surface 1p , on the side of the heater surface 1h and on the leading end surface side 101e having different thicknesses are similar to those used in the formation of the inner lead end protective layer 2a be seized.

In einem Fall, in dem die Führungsende-Schutzschicht 2 als eine einzige Schicht vorgesehen ist, wie in 2 dargestellt, ist der vorstehend erwähnte Schritt S9 unnötig.In a case where the leading end protective layer 2 provided as a single layer, as in 2 is the above-mentioned step S9 unnecessary.

Das Sensorelement 10 wird durch die vorstehend erwähnten Verfahren gewonnen. Das so erhaltene Sensorelement 10 ist in einem vorbestimmten Gehäuse untergebracht und in den Körper (nicht dargestellt) des Gassensors 100 eingebaut.The sensor element 10 is obtained by the above-mentioned methods. The sensor element thus obtained 10 is housed in a predetermined housing and in the body (not shown) of the gas sensor 100 built-in.

<Modifizierungen><modifications>

Die vorstehend beschriebene Ausführungsform zielt auf ein Sensorelement mit drei Innenkammern, aber das Sensorelement muss nicht unbedingt eine Drei-Kammer-Struktur aufweisen. Das heißt, das Sensorelement kann eine Innenkammer oder zwei Innenkammern aufweisen.The embodiment described above is directed to a sensor element having three inner chambers, but the sensor element need not necessarily have a three-chamber structure. That is, the sensor element can have an inner chamber or two inner chambers.

Die vorstehend erwähnte Ausführungsform basiert auf der Annahme, dass die Einheitsschichten, die die Führungsende-Schutzschicht 2 bilden, eine einheitliche Dicke im Führungsende-Abschnitt 2e aufweisen, aber die Dicke im Führungsende-Abschnitt 2e ist, abhängig von der Form der Führungsende-Schutzschicht 2, manchmal nicht einheitlich. Ein Beispiel für einen solchen Fall ist ein Fall, in dem die Dicke Tp auf der Seite der Pumpoberfläche 1p oder die Dicke Th auf der Seite der Heizeroberfläche 1h absichtlich veranlasst wird, sich von der Dicke Te auf der Seite der Führungsende-Oberfläche 101e zu unterscheiden.The above-mentioned embodiment is based on the assumption that the unit layers constituting the leading end protective layer 2 form a uniform thickness in the leading end portion 2e but the thickness in the leading end portion 2e depends on the shape of the leading end protective layer 2 , sometimes not uniform. An example of such a case is a case where the thickness T p is on the side of the pumping surface 1p or the thickness T h on the side of the heater surface 1h is intentionally made to differ from the thickness T e on the leading end surface side 101e to distinguish.

5 zeigt einen Fall, in dem die Führungsende-Schutzschicht 2 eine zweischichtige Konfiguration aufweist und eine ungleichmäßige Dicke aufweist. In einem solchen Fall kann, nachdem die Größe entlang der Pumpoberfläche 1p der Elementbasis 1, die Größe entlang der Heizeroberfläche 1h der Elementbasis 1 und die Größe an einer von der Pumpoberfläche 1p und der Heizeroberfläche 1h äquidistanten Stelle spezifiziert wurden, ein Durchschnittswert von ihnen als ein Wert von Tj in den vorstehend erwähnten Ungleichungen (2) bis (4) verwendet werden. In einem in 5 dargestellten Fall sind die folgenden Gleichungen erfüllt: T 1 = ( T 1p + T 1h + T 1e ) / 3 ;

Figure DE102020007501A1_0006
und T 2 = ( T 2p + T 2h + T 2c ) / 3 .
Figure DE102020007501A1_0007
5 shows a case where the leading end protective layer 2 has a two-layer configuration and has an uneven thickness. In such a case, after the size can be along the pumping surface 1p the element base 1 , the size along the heater surface 1h the element base 1 and the size on one of the pumping surface 1p and the heater surface 1h equidistant position have been specified, an average value of them can be used as a value of T j in the aforementioned inequalities (2) to (4). In an in 5 In the illustrated case, the following equations are fulfilled: T 1 = ( T 1p + T 1h + T 1e ) / 3rd ;
Figure DE102020007501A1_0006
and T 2 = ( T 2p + T 2h + T 2c ) / 3rd .
Figure DE102020007501A1_0007

In der vorstehend erwähnten Ausführungsform wird nach dem thermischen Sprühen des Pulvers zur Bildung der inneren Führungsende-Schutzschicht im Schritt S7 das Brennen im Schritt S8 durchgeführt, und dann wird das thermische Sprühen des Pulvers zur Bildung der äußeren Führungsende-Schutzschicht im Schritt S9 durchgeführt. Das Brennen in Schritt S8 und das thermische Sprühen in Schritt S9 können jedoch auch in umgekehrter Reihenfolge durchgeführt werden.In the above-mentioned embodiment, after the powder is thermally sprayed to form the inner leading end protective layer in step S7 the burning in the crotch S8 and then thermal spraying of the powder for forming the outer leading end protective layer is carried out in the step S9 carried out. Burning in crotch S8 and thermal spraying in step S9 however, they can also be carried out in reverse order.

In der vorstehend erwähnten Ausführungsform bestehen die innere Führungsende-Schutzschicht 2a und die äußere Führungsende-Schutzschicht 2b jeweils aus Aluminiumoxid und das Aluminiumoxidpulver wird als Material für das thermische Sprühen bei der Bildung der beiden Schichten verwendet, aber sie müssen nicht unbedingt aus Aluminiumoxid bestehen. Die innere Führungsende-Schutzschicht 2a und die äußere Führungsende-Schutzschicht 2b können anstelle von Aluminiumoxid aus metallischem Oxid, wie zum Beispiel Zirkoniumdioxid (ZrO2), Spinell (MgAl2O4) und Mullit (Al6O13Si2), hergestellt werden. In diesem Fall kann das Pulver des Metalloxids als Material für das thermische Sprühen verwendet werden.In the above-mentioned embodiment, the inner leading end protective layer is made 2a and the outer leading end protective layer 2 B each of alumina, and the alumina powder is used as a material for thermal spraying in forming the two layers, but they do not necessarily have to be made of alumina. The inner leading end protective layer 2a and the outer Leading end protective layer 2 B Instead of aluminum oxide, metallic oxide such as zirconium dioxide (ZrO 2 ), spinel (MgAl 2 O 4 ) and mullite (Al 6 O 13 Si 2 ) can be produced. In this case, the powder of the metal oxide can be used as a material for thermal spraying.

Die vorstehend erwähnte Ausführungsform ist auf das Sensorelement 10 ausgerichtet, das die längliche planare Elementbasis 1 (den Keramikkörper 101) mit dem Gaseinlass 105 in dem einen Endabschnitt E1 davon aufweist, aber selbst in einem Fall, in dem der Gaseinlass 105 in einem Seitenabschnitt des Sensorelements 1 angeordnet ist, werden ähnliche Effekte, wie in der vorstehend erwähnten Ausführungsform erhalten, erwartet, solange die Ungleichungen (2) bis (4) erfüllt sind.The aforementioned embodiment is based on the sensor element 10 aligned, which is the elongated planar element base 1 (the ceramic body 101 ) with the gas inlet 105 in one end section E1 thereof, but even in a case where the gas inlet 105 in a side portion of the sensor element 1 is arranged, effects similar to those obtained in the aforementioned embodiment are expected as long as inequalities (2) to (4) are satisfied.

[Beispiele][Examples]

(Beispiel 1)(Example 1)

Als Beispiel 1 wurden zehn Typen von Sensorelementen 10 mit Führungsende-Schutzschichten 2, die jeweils eine einzelne Schicht sind und unterschiedliche Dicken T1 im Führungsende-Abschnitt 2e aufweisen, hergestellt, und die Wasserbeständigkeit im Führungsende-Abschnitt 2e jedes der Sensorelemente 10 wurde bewertet.As Example 1, ten types of sensor elements were used 10 with leading end protective layers 2 which are each a single layer and have different thicknesses T 1 in the leading end portion 2e have, and the water resistance in the leading end portion 2e each of the sensor elements 10 was rated.

Insbesondere wurden zwei Typen von Elementbasen 1, einschließlich einer Elementbasis 1 mit Lp von 0,91 mm, Lh von 0,41 mm und Le von 1,26 mm (nachfolgend als Basisprobe α bezeichnet) und einer Elementbasis 1 mit Lp von 1,03 mm, Lh von 0,20 mm und Le von 0,38 mm (nachfolgend als Basisprobe b bezeichnet) hergestellt.In particular, two types of element bases have been identified 1 , including an element base 1 with L p of 0.91 mm, L h of 0.41 mm and L e of 1.26 mm (hereinafter referred to as base sample α) and an element base 1 with L p of 1.03 mm, L h of 0.20 mm and L e of 0.38 mm (hereinafter referred to as base sample b).

Was die Führungsende-Schutzschichten 2 der Basisprobe α betrifft, so wurde die Dicke T1 im Führungsende-Abschnitt 2e in sieben Stufen von 50 µm, 100 µm, 150 µm, 200 µm, 300 µm, 400 µm und 500 µm variiert und die Porosität p1 wurde in drei Stufen von 20%, 25% und 30% variiert.As for the leading end protective layers 2 of the base sample is concerned with α, the thickness T 1 in the leading end portion became 2e varied in seven steps of 50 µm, 100 µm, 150 µm, 200 µm, 300 µm, 400 µm and 500 µm and the porosity p 1 was varied in three steps of 20%, 25% and 30%.

Die Führungsende-Schutzschicht 2 der Basisprobe b wies eine Dicke T1 im Führungsende-Abschnitt 2e von 380 µm und eine Porosität p1 von 22 % auf.The leading end protective layer 2 of the base sample b had a thickness T 1 in the leading end portion 2e of 380 µm and a porosity p 1 of 22%.

Die Wasserbeständigkeit wurde bewertet, indem ein Wassertropfen von jeweils 0,1 µl auf die Seite von dem einen Endabschnitt E1 des Sensorelements 10 aufgebracht wurde, während der Pumpstrom Ip0 durch die Hauptpumpzelle P1 in einem Zustand gemessen wurde, in dem jedes der Sensorelemente 10 durch den Heizer 150 auf etwa 500°C bis 900°C aufgeheizt wurde, und indem die maximale Wassermenge angegeben wurde, die keine Anomalität in einem Messausgang verursacht.The water resistance was evaluated by placing a 0.1 µl water drop on the side of one end portion E1 of the sensor element 10 was applied while the pumping current Ip0 through the main pumping cell P1 was measured in a state that each of the sensor elements 10 by the heater 150 was heated to about 500 ° C to 900 ° C, and by specifying the maximum amount of water that does not cause an abnormality in a measurement output.

Der Abstand Le in jedem der Sensorelemente 10, die Dicke T1 und die Porosität p1 im Führungsende-Abschnitt 2e der Führungsende-Schutzschicht 2, der daraus berechnete Führungsende-Dickenindexwert und das Ergebnis der Auswertung der Wasserbeständigkeit sind in Tabelle 1 als Liste dargestellt. 6 ist ein Diagramm des Ergebnisses der Bewertung der Wasserbeständigkeit gemäß Beispiel 1, das in Tabelle 1 gezeigt ist, gegen den Führungsende-Dickenindexwert. [Tabelle 1] Le FÜHRUNGSENDE-SCHUTZSCHICHT FÜHRUNGSENDE-DICKENINDEXWERT WASSERBESTÄNDIGKEIT [mm] T1 [µm] ρ1 [%] [µl] 1,26 400 25 0,079 6,8 1,26 100 25 0,020 4,4 1,26 300 25 0,060 5,7 1,26 50 25 0,010 4,7 1,26 200 25 0,040 5 1,26 150 25 0,030 4,9 0,38 380 22 0,224 16,0 1,26 500 25 0,099 7,8 - 1,26 400 20 0,063 5,8 1,26 300 30 0,071 6.8 The distance L e in each of the sensor elements 10 , the thickness T 1 and the porosity p 1 in the leading end portion 2e the leading end protective layer 2 , the leading end thickness index value calculated therefrom and the result of the evaluation of the water resistance are shown in Table 1 as a list. 6th Fig. 13 is a graph of the result of evaluation of water resistance according to Example 1 shown in Table 1 against the leading end thickness index value. [Table 1] L e LEADING END PROTECTIVE LAYER LEADING END THICKNESS INDEX VALUE WATER RESISTANCE [mm] T 1 [µm] ρ1 [%] [µl] 1.26 400 25th 0.079 6.8 1.26 100 25th 0.020 4.4 1.26 300 25th 0.060 5.7 1.26 50 25th 0.010 4.7 1.26 200 25th 0.040 5 1.26 150 25th 0.030 4.9 0.38 380 22nd 0.224 16.0 1.26 500 25th 0.099 7.8 - 1.26 400 20th 0.063 5.8 1.26 300 30th 0.071 6.8

Wie in Tabelle 1 gezeigt, wies jedes der Sensorelemente 10, deren Führungsende-Dickenindexwert die Ungleichung (2) erfüllte, eine Wasserbeständigkeit von 5 µl oder mehr auf.As shown in Table 1, each of the sensor elements had 10 whose leading end thickness index value satisfied Inequality (2) had water resistance of 5 µl or more.

Es ist aus 6 ersichtlich, dass der Führungsende-Dickenindexwert eine positive Korrelation mit der Wasserbeständigkeit aufweist, unabhängig vom Größenunterschied der Elementbasis 1, und es wird auch aus 6 bestätigt, dass eine Wasserbeständigkeit von mehr als 5 µl erreicht werden kann, wenn der Führungsende-Dickenindexwert 0,05 überschreitet. Dies deutet darauf hin, dass die Wasserbeständigkeit in dem einen Endabschnitt E1 des Sensorelements 10, in dem der Gaseinlass 105 vorgesehen ist, in geeigneter Weise gesichert ist, solange die Führungsende-Schutzschicht 2 so vorgesehen ist, dass der Führungsende-Dickenindexwert die Ungleichung (2) erfüllt.It's over 6th It can be seen that the leading end thickness index value has a positive correlation with water resistance regardless of the element base size difference 1 , and it will look out too 6th confirms that water resistance greater than 5 µl can be achieved when the leading end thickness index value exceeds 0.05. This indicates that the water resistance is in the one end section E1 of the sensor element 10 , in which the gas inlet 105 is provided is appropriately secured as long as the leading end protective layer 2 is provided so that the leading end thickness index value satisfies inequality (2).

(Beispiel 2)(Example 2)

Als Beispiel 2 wurden 12 Typen von Sensorelementen 10, die jeweils die Führungsende-Schutzschicht 2 mit der zweischichtigen Konfiguration der inneren Führungsende-Schutzschicht 2a und der äußeren Führungsende-Schutzschicht 2b enthalten, hergestellt, und die Wasserbeständigkeit im Führungsende-Abschnitt 2e jedes der Sensorelemente 10 wurde bewertet.As Example 2, there were 12 types of sensor elements 10 each of the leading end protective layer 2 with the two-layer configuration of the inner leading end protective layer 2a and the outer leading end protective layer 2 B included, manufactured, and the water resistance in the leading end section 2e each of the sensor elements 10 was rated.

Insbesondere wurden zwei Typen von Elementbasen 1, einschließlich der Basisprobe α wie in Beispiel 1 und einer Elementbasis 1 mit Lp von 0,71 mm, Lh von 0,17 mm und Le von 0,39 mm (im Folgenden eine Basisprobe c), hergestellt.In particular, two types of element bases have been identified 1 including the base sample α as in Example 1 and an element base 1 with L p of 0.71 mm, L h of 0.17 mm and L e of 0.39 mm (hereinafter a base sample c).

Was die inneren Führungsend-Schutzschichten 2a der Basisprobe a betrifft, wurde die Dicke T1 im Führungsende-Abschnitt 2e in sieben Stufen von 350 µm, 400 µm, 500 µm, 600 µm, 650 µm, 800 µm und 850 µm variiert und die Porosität p1 wurde in sieben Stufen von 35%, 40%, 50%, 55%, 60%, 65% und 80% variiert.As for the inner leading end protective layers 2a of the base sample a, the thickness became T 1 in the leading end portion 2e varied in seven steps of 350 µm, 400 µm, 500 µm, 600 µm, 650 µm, 800 µm and 850 µm and the porosity p 1 was varied in seven steps of 35%, 40%, 50%, 55%, 60%, 65% and 80% varied.

Andererseits wurde, wie bei den äußeren Führungsende-Schutzschichten 2b, die Dicke T2 im Führungsende-Abschnitt 2e in drei Stufen von 150 µm, 250 µm und 350 µm variiert und die Porosität p2 wurde in drei Stufen von 15%, 20% und 25% variiert.On the other hand, as with the outer leading end protective layers 2 B , the thickness T 2 in the leading end portion 2e varied in three steps of 150 μm, 250 μm and 350 μm and the porosity p 2 was varied in three steps of 15%, 20% and 25%.

Die innere Führungsende-Schutzschicht 2a der Basisprobe c wies eine Dicke T1 im Führungsende-Abschnitt 2e von 276 µm und eine Porosität p1 von 16,2 % auf. Außerdem wies die äußere Führungsende-Schutzschicht 2b eine Dicke T2 im Führungsende-Abschnitt 2e von 232 µm und eine Porosität p2 von 40,7 % auf.The inner leading end protective layer 2a of the base sample c had a thickness T 1 in the leading end portion 2e of 276 µm and a porosity p 1 of 16.2%. In addition, the outer leading end protective layer had 2 B a thickness T 2 in the leading end portion 2e of 232 µm and a porosity p 2 of 40.7%.

Der Abstand Le auf der Seite der Führungsende-Oberfläche 101e, die Dicke T1 und die Porosität p1 der inneren Führungsende-Schutzschicht 2a („ERSTE SCHUTZSCHICHT“ in Tabelle 2), die Dicke T2 und die Porosität p2 der äußeren Führungsende-Schutzschicht 2b („ZWEITE SCHUTZSCHICHT“ in Tabelle 2), der daraus berechnete Führungsende-Dickenindexwert und das Ergebnis der Bewertung der Wasserbeständigkeit sind in Tabelle 2 als Liste dargestellt. [Tabelle 2] Le ERSTE SCHUTZSCHICHT ZWEITE SCHUTZSCHICHT FÜHRUNGSENDE-DICKENINDEXWERT WASSERBESTÄNDIGKEIT [mm] T1 [µm] p1 [%] T2 [µm] p2 [%] [µl] 1,26 400 50 250 25 0,208 14 1,26 650 40 250 25 0,256 20 1,26 400 40 250 25 0,177 11,2 1,26 500 40 250 25 0,208 16,3 0,39 276 16,2 232 40,7 0,357 20.4 1,26 800 55 250 25 0,399 43,2 1,26 800 35 250 25 0,272 30,9 1,26 800 80 250 25 0,558 20 1,26 600 60 350 25 0,355 25 1,26 850 60 250 25 0,454 30 1,26 600 60 250 15 0,315 20 1,26 350 65 150 20 0,204 20 The distance L e on the leading end surface side 101e , the thickness T 1 and the porosity p 1 of the inner leading end protective layer 2a (“FIRST PROTECTIVE LAYER” in Table 2), the thickness T 2 and the porosity p 2 of the outer leading end protective layer 2 B (“SECOND PROTECTIVE LAYER” in Table 2), the leading end thickness index value calculated therefrom and the result of the evaluation of the water resistance are shown in Table 2 as a list. [Table 2] L e FIRST PROTECTIVE LAYER SECOND PROTECTIVE LAYER LEADING END THICKNESS INDEX VALUE WATER RESISTANCE [mm] T 1 [µm] p 1 [%] T 2 [µm] p 2 [%] [µl] 1.26 400 50 250 25th 0.208 14th 1.26 650 40 250 25th 0.256 20th 1.26 400 40 250 25th 0.177 11.2 1.26 500 40 250 25th 0.208 16.3 0.39 276 16.2 232 40.7 0.357 20.4 1.26 800 55 250 25th 0.399 43.2 1.26 800 35 250 25th 0.272 30.9 1.26 800 80 250 25th 0.558 20th 1.26 600 60 350 25th 0.355 25th 1.26 850 60 250 25th 0.454 30th 1.26 600 60 250 15th 0.315 20th 1.26 350 65 150 20th 0.204 20th

Wie in Tabelle 2 dargestellt, wies jedes der Sensorelemente 10 den Führungsende-Dickenindexwert auf, der die Ungleichung (2) erfüllt, und eine Wasserbeständigkeit von 6 µl oder mehr aufweist.As shown in Table 2, each of the sensor elements had 10 has the leading end thickness index value which satisfies Inequality (2) and has a water resistance of 6 µl or more.

7 ist ein Diagramm des Ergebnisses der Bewertung der Wasserbeständigkeit gemäß Beispiel 2, das in Tabelle 2 gezeigt ist, gegen den Führungsende-Dickenindexwert zusammen mit dem Ergebnis der Bewertung gemäß Beispiel 1. Wie bei 6 ist aus 7 ersichtlich, dass der Führungsende-Dickenindexwert eine positive Korrelation mit der Wasserbeständigkeit aufweist, unabhängig vom Größenunterschied der Elementbasis 1. Dies deutet darauf hin, dass eine gute Wasserbeständigkeit gewährleistet ist, solange jede Schicht so beschaffen ist, dass der Führungsende-Dickenindexwert die Ungleichung (2) erfüllt, selbst in einem Fall, in dem die Führungsende-Schutzschicht 2 die laminierte Struktur einer Vielzahl von Einheitsschichten aufweist. 7th Fig. 13 is a graph of the result of evaluation of water resistance according to Example 2 shown in Table 2 against the leading end thickness index value along with the result of evaluation according to Example 1. As in 6th is off 7th It can be seen that the leading end thickness index value has a positive correlation with water resistance regardless of the element base size difference 1 . This suggests that good water resistance is ensured as long as each layer is designed so that the leading end thickness index value satisfies inequality (2) even in a case where the leading end protective layer 2 the laminated structure has a plurality of unit layers.

Darüber hinaus wird aus Tabelle 2 und 7 bestätigt, dass von den Sensorelementen 10 des Beispiels 2 jedes der Sensorelemente 10 mit dem Führungsende-Dickenindexwert, der die Ungleichung (3) erfüllt, eine gute Wasserbeständigkeit von mehr als 10 µl aufweist, und weiter jedes der Sensorelemente 10 mit dem Führungsende-Dickenindexwert, der die Ungleichung (4) erfüllt, eine extrem gute Wasserbeständigkeit von mehr als 20 µl aufweist.In addition, from Table 2 and 7th confirmed that from the sensor elements 10 of the example 2 each of the sensor elements 10 with the leading end thickness index value satisfying Inequality (3) has good water resistance of more than 10 µl, and further, each of the sensor elements 10 with the leading end thickness index value satisfying Inequality (4), has extremely good water resistance of more than 20 µl.

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • JP 201665852 [0002, 0004]JP 201665852 [0002, 0004]

Claims (6)

Sensorelement für einen Gassensor, wobei das Sensorelement umfasst: eine Elementbasis, die eine keramische Struktur ist, wobei die Elementbasis eine Endoberfläche mit einem Gaseinlass aufweist, durch den ein Messgas in die Elementbasis eingeleitet wird, und ein Sensorteil zum Erfassen einer zu messenden Gaskomponente und einen Heizer zum Erwärmen des Sensorelements einschließt; und eine Führungsende-Schutzschicht, die um eine äußere Peripherie der Elementbasis in einem vorbestimmten Bereich angeordnet ist, der mindestens die Endoberfläche einschließt, und die eine poröse Schicht ist, die eine oder mehrere Einheitsschichten einschließt, wobei die Führungsende-Schutzschicht auf der Endoberfläche vorgesehen ist, um 1 100000 T j ρ j L e > 0,05     ( j = 1 n )
Figure DE102020007501A1_0008
zu erfüllen, wobei Tj (j = 1 bis n: n ist eine natürliche Zahl) eine Dicke in µm einer j-ten Einheitsschicht der Führungsende-Schutzschicht von einer Seite der Elementbasis auf der Endoberfläche ist, pj eine Porosität in % der j-ten Einheitsschicht ist und Le ein Abstand in mm von dem Heizer zu der Endoberfläche ist.
A sensor element for a gas sensor, the sensor element comprising: an element base that is a ceramic structure, the element base having an end surface with a gas inlet through which a measurement gas is introduced into the element base, and a sensor part for detecting a gas component to be measured, and a Includes heaters for heating the sensor element; and a leading end protective layer which is disposed around an outer periphery of the element base in a predetermined area including at least the end surface and which is a porous layer including one or more unit layers, the leading end protective layer being provided on the end surface , around 1 100,000 T j ρ j L. e > 0.05 ( j = 1 n )
Figure DE102020007501A1_0008
where T j (j = 1 to n: n is a natural number) is a thickness in µm of a j-th unit layer of the leading end protective layer from one side of the element base on the end surface, p j is a porosity in% of j -th unit layer and L e is a distance in mm from the heater to the end surface.
Sensorelement für den Gassensor nach Anspruch 1, wobei das Sensorelement eine längliche, ebene Form aufweist und die Endoberfläche eine Oberfläche auf einer Seite eines Führungsende-Abschnitts in einer Längsrichtung des Sensorelements ist.Sensor element for the gas sensor after Claim 1 wherein the sensor element has an elongated planar shape, and the end surface is a surface on a side of a leading end portion in a longitudinal direction of the sensor element. Sensorelement für den Gassensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei n = 2, und die Führungsende-Schutzschicht auf der Endoberfläche vorgesehen ist, um 1 100000 T j ρ j L e > 0,18     ( j = 1,2 )
Figure DE102020007501A1_0009
zu erfüllen.
Sensor element for the gas sensor after Claim 1 or 2 , where n = 2, and the leading end protective layer is provided on the end surface to 1 100,000 T j ρ j L. e > 0.18 ( j = 1.2 )
Figure DE102020007501A1_0009
to meet.
Sensorelement für den Gassensor nach Anspruch 3, wobei 300 µm ≤ T1 ≤ 850 µm, 40% ≤ p1 ≤ 80%, 150 µm ≤ T2 ≤ 350 µm, 15% ≤ p2 ≤ 40%, und 0,35 mm ≤ Le ≤ 1,3 mm.Sensor element for the gas sensor after Claim 3 , where 300 µm T 1 850 µm, 40% p 1 80%, 150 µm T 2 350 µm, 15% p 2 40%, and 0.35 mm L e 1.3 mm. Sensorelement für den Gassensor nach Anspruch 4, wobei die Führungsende-Schutzschicht auf der Endoberfläche vorgesehen ist, um 1 100000 T j ρ j L e > 0,25     ( j = 1,2 )
Figure DE102020007501A1_0010
zu erfüllen.
Sensor element for the gas sensor after Claim 4 , wherein the leading end protective layer is provided on the end surface to 1 100,000 T j ρ j L. e > 0.25 ( j = 1.2 )
Figure DE102020007501A1_0010
to meet.
Sensorelement für den Gassensor nach Anspruch 5, wobei 300 µm ≤T1 ≤ 850 µm, 50% ≤ p1 ≤ 80%, 250 µm ≤ T2 ≤ 350 µm, 15% ≤ p2 ≤ 40%, und 0,35 mm ≤ Le ≤ 1,3 mm.Sensor element for the gas sensor after Claim 5 , where 300 µm T 1 850 µm, 50% p 1 80%, 250 µm T 2 350 µm, 15% p 2 40%, and 0.35 mm L e 1.3 mm.
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